[en] Power converters traditionally use Silicon (Si) transistors and diodes for the conversion and control of electrical energy. Decades of refinement of manufacturing processes have led to the production of Silicon with virtually no defects, enhancing current conduction, voltage blocking, heat dissipation, and switching speeds of Silicon devices. These improvements have resulted in more efficient converters with higher power densities. However, as the quality of Silicon approaches its practical limits, the material itself becomes the primary barrier to further improve the electrical and thermal characteristics of the devices. In this context, Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC), also known as Wide BandGap (WBG) semiconductors, offer superior electrical and thermal properties, providing a better alternative to Silicon for power devices. These WBG devices can operate at high switching dynamics, which leads to efficient switching transients. In this way, the converter can operate at high frequencies while keeping high efficiency levels and reducing the volume of passive components. However, these fast switching transients present a challenge for an industry whose knowledge is still based on the standards of Silicon devices. Currently, no standard current probe provides sufficient bandwidth and low enough insertion impedance to measure these fast switching transients in Double Pulse Tests (DPT). This makes switching energy measurements challenging, which are mandatory during the converter design process. Additionally, the high dv/dt and di/dt of Wide Bandgap devices make PCB optimizations mandatory to minimize parasitic capacitances and inductances, essential for reducing transistor losses and preventing Electromagnetic Interference (EMI) issues. Despite these challenges, SiC MOSFETs and Schottky diodes have matured enough to replace IGBTs and diodes in certain applications, providing higher efficiency and power density levels. To make the adoption of these SiC devices easier, manufacturers have made SiC MOSFETs gate terminal voltage requirements compatible with IGBT standards. However, GaN transistors are several steps behind SiC devices in terms of standardization, regarding gate requirements, transistor structures, packaging and cooling systems among others, which makes their adoption challenging in power applications. Therefore, although GaN technology offers promising conduction and switching properties, its market penetration is lower than that of SiC devices. For this reason, the main objective of this thesis is to provide some solutions to the challenges that must be solved to fully exploit the advantages offered by Gallium Nitride devices. The thesis is structured into two main sections. The first part provides a comprehensive review of current GaN devices, examining their physics and the different GaN device structures. In addition, this section includes both dynamic and static characterizations of commercially available GaN devices, ultimately leading to the development of a simulation model for the HD-GIT and SG p-GaN devices. The second part of this research work is focused on the switching loss evaluation by means of calorimetric methods. In this context, the impact of the PCB stray capacitances on the switching losses has been evaluated.

[es] La base del funcionamiento de los convertidores de potencia está en los semiconductores de potencia, como el diodo y el transistor, fabricados tradicionalmente con Silicio (Si). Después de décadas de refinamiento en los procesos de fabricación, en la actualidad es posible producir dispositivos de Silicio prácticamente sin defectos, llevando a grandes mejoras en términos de capacidad de conducir corriente, bloquear tensión, evacuar calor y velocidad de conmutación de los dispositivos de Silicio. Estas mejoras en los semiconductores de potencia han hecho posibles convertidores más eficientes con mayores densidades de potencia. Sin embargo, a medida que la calidad del Silicio se acerca a sus límites prácticos, son los límites propios del material los que limitan la mejora de las características eléctricas y térmicas de los dispositivos de Silicio. En este contexto, el Nitruro de Galio (GaN) y el Carburo de Silicio (SiC), también conocidos como semiconductores de banda ancha prohibida (WBG), ofrecen propiedades eléctricas y térmicas superiores, proporcionando una mejor alternativa al Silicio para dispositivos de potencia. Estos dispositivos de banda ancha prohibida operan con altas dinámicas de conmutación, de forma que conmutan de forma muy eficiente. De este modo, el convertidor puede operar a altas frecuencias manteniendo niveles elevados de eficiencia y reduciendo el volumen de componentes pasivos. Sin embargo, estas altas dinámicas de conmutación suponen un reto para una industria que aún se basa en los estándares de los dispositivos de Silicio. Hoy en día, no existe una sonda de corriente estándar que proporcione suficiente ancho de banda y una impedancia de inserción lo suficientemente baja para medir estos transitorios en Pruebas de Doble Pulso (DPT). Esto hace complejo medir las pérdidas de conmutación necesarias durante la fase de diseño del convertidor. Además, los altos valores de dv/dt y i/dt de los dispositivos de banda prohibida ancha exigen la optimización en el diseño del PCB para minimizar las capacidades e inductancias parásitas, de forma que se reduzcan las pérdidas en los transistores y prevenir problemas de interferencia electromagnética (EMI). A pesar de estos desafíos, los MOSFETs y los diodos Schottky SiC están en una fase de madurez suficiente como para reemplazar a los IGBTs y diodos en ciertas aplicaciones, ofreciendo mayores niveles de eficiencia y densidades de potencia. Para hacer más fácil la adopción de estos dispositivos SiC, los fabricantes de los SiC MOSFETs han hecho que sus requerimientos de puerta cumplan con los niveles de tensión estandarizados por el IGBT. Sin embargo, los transistores GaN se encuentran varios pasos detrás en comparación con los dispositivos SIC en cuanto a estandarización de los requisitos de puerta, estructuras de transistores y sistemas de refrigeración, lo que complica su integración en convertidores. Así, aunque la tecnología GaN promete características de conducción y conmutación mejores, su penetración en el mercado es menor que la de los dispositivos SiC. Por esta razón, el objetivo principal de esta tesis es proporcionar soluciones a algunos de los retos que deben ser solventados para poder explotar las posibilidades que ofrecen los componentes GaN. La tesis está estructurada en dos partes principales. La primera parte ofrece una revisión exhaustiva de los dispositivos GaN actuales, describiendo los principios físicos de su funcionamiento y las diferentes estructuras de dispositivos GaN disponibles. Además, esta sección incluye una caracterización tanto dinámica como estática de los dispositivos GaN disponibles comercialmente, culminando en el desarrollo de modelos de simulación para los principales dispositivos GaN. La segunda parte del documento se centra en la evaluación de pérdidas de potencia por medio de métodos calorimétricos. En este contexto, se evalúa el impacto que tienen las capacidades parásitas del PCB en las pérdidas de conmutación.