Switching losses calculation model and method for selecting FET transistor technologies applied to static converters

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This dissertation presents an analytical model to assist in the calculation of switching losses and a methodology for selecting MOSFETs that with breakdown voltages greater than 100 V. The model was developed based on physical and electrical concepts of the FET structure, considering non-linearities of Miller capacitance as a function of voltage variation, mainly present in MOSFETs manufactured to operate in voltages above 100 V. Simulation and experimental results that validate the model were obtained, considering the frequency range of 1 - 300 kHz, at which the limit of gate driver operation has been reached. The proposed model was compared to other loss calculation models frequently used in the literature, where it was observed that other models show an increase in the relative error for frequencies above 50 kHz. Heat transfer systems are analyzed and discussed. The proposed loss calculation model is used in the development of a comparative analysis between the technologies of conventional Silicon MOSFET, superjunction, SiC and GaN. The impact of stray capacitances, junction temperature, intrinsic resistances, switching frequency and power levels in each technology are analyzed. Application trend areas are defined for each technology based on yields as a efficiency of frequency and power. Esta dissertação apresenta um modelo analítico para auxiliar no cálculo de perdas por comutação e uma metodologia de seleção de MOSFETs que operam tensões de bloqueio maiores que 100 V. O modelo foi desenvolvido com base em conceitos físicos e elétricos da estrutura FET, considerando as não linearidades da capacitância Miller em função da variação de tensão, presentes principalmente em MOSFETs fabricados para operar tensões acima de 100 V. Resultados de simulação e experimentais que validam o modelo foram obtidos, considerando a faixa de frequência de 1 - 300 kHz, onde o limite de operação do gate driver foi atingido. O modelo proposto foi comparado a modelos de cálculo de perdas frequentemente utilizados na literatura, onde se observou que os demais modelos utilizados apresentaram aumento no erro relativo para frequências acima de 50 kHz. Sistemas de transferência de calor são analisados e discutidos. O modelo de cálculo de perdas proposto é utilizado no desenvolvimento de uma análise comparativa entre as tecnologias de MOSFET convencional de Silício, superjunção, SiC e GaN. O impacto das capacitâncias parasitas, temperatura de junção, resistências intrínsecas a estrutura, frequência de comutação e níveis de potência em cada tecnologia são analisados. Áreas de tendências de aplicação são definidas para cada tecnologia com base nos rendimentos em função da frequência e da potência.