Estudio de un convertidor DC-DC bidireccional basado en sistemas empaquetados de GaN

Abstract

En este trabajo se analizan los transistores de Nitruro de Galio (GaN) con especial énfasis en la influencia de su empaquetado, simulando para ello una aplicación real de alta densidad de potencia: un convertidor DC-DC bidireccional síncrono. Se estudia la integración de dispositivos GaN como interruptores principales y el funcionamiento del controlador integrado en un SiP (System-in-Package). El núcleo del estudio se centra en la mejora drástica de la eficiencia energética derivada de las ventajas intrínsecas de estos sistemas, como la reducción de las pérdidas por conmutación. En la primera fase, se presenta un estado del arte detallado de la tecnología GaN en comparación con el Silicio y el Carburo de Silicio (SiC). Posteriormente, se aborda la etapa analítica mediante el diseño del convertidor empleando componentes reales. El convertidor ha sido diseñado para una aplicación real: la carga de un vehículo desde la red eléctrica y la capacidad de suministrar energía a la red desde el vehículo, concepto conocido como sistema V2G (Vehicle-to-Grid). Un punto crítico de este diseño ha sido el dimensionamiento y la optimización de la etapa de salida del gate-driver. Debido a las altas velocidades de conmutación del GaN, se ha diseñado cuidadosamente el lazo de puerta para mitigar oscilaciones parasitarias y evitar que las corrientes circulantes del convertidor puedan dañar los componentes. Finalmente, se valida el sistema mediante simulaciones avanzadas. En la parte simulada, se hace un uso extensivo de gráficos de tensión, corriente y potencia con el fin de calcular el rendimiento. El análisis permite visualizar no solo la respuesta estacionaria y transitoria, sino también el comportamiento térmico bajo diferentes perfiles de carga, identificando además los puntos críticos de disipación de energía y demostrando la superioridad del GaN en aplicaciones de alta frecuencia