Wide BandGap Power Electronics: A System-Level Approach to Efficiency and EMI

Wide bandgap (WBG) semiconductor devices, particularly gallium nitride(GaN) and silicon carbide (SiC), offer superior switching characteristics andenhanced power density compared to silicon devices. However, their integrationinto practical converter systems presents challenges including electromagneticinterference (EMI) generation, stringent gate driver requirements, and the need forco-design of power stages with magnetic components and control strategies. Thisdissertation addresses these challenges through a comprehensive system-levelinvestigation of WBG devices in high-frequency power conversion applications,emphasizing efficiency optimization and EMI mitigation.An embedded measurement platform was developed for precisecharacterization of GaN and SiC devices using equivalent-time samplingtechniques, revealing frequency-dependent parameters including input capacitancevariations and on-resistance degradation at elevated switching frequencies. Variousconverter topologies were systematically analyzed: synchronous buck converters at1 MHz, two-phase interleaved configurations, dual active bridge (DAB)architectures for on-board chargers, and three-level active neutral point clamped(3L-ANPC) multilevel DAB converters for high-voltage operation. Advancedcontrol strategies were developed, including average current mode control withtriple phase-shift modulation, demonstrating robust performance across resistive,battery, and motor drive loads through hardware-in-the-loop validation.Power density enhancement was pursued through coreless planar inductors onmultilayer PCBs.Three-dimensional finite element analysis demonstratedcompliance with conducted emission standards while achieving significant volumereduction. Experimental prototypes at 1 MHz validated the methodology, thoughthermal constraints limited high-power applications. EMI suppression strategiescombined passive layout optimization with active compensation approaches. Anovel double GaN half-bridge topology with series inductors achieved emissionreduction, voltage ringing suppression, and zero-voltage switching.Key contributions include validated behavioral models capturingfrequency-dependent characteristics, design methodologies for coreless magneticsbalancing power density and thermal performance, control strategies enablingwide-range soft-switching, and integrated EMI suppression techniques.Limitations include measurement bandwidth constraints, coreless inductor thermalboundaries, and experimental validation gaps for active EMI topologies. Futuredirections encompass experimental validation of active EMI filters, integration withbattery management systems, UWBG device characterization, and development ofautonomous multi-objective optimization frameworks. This dissertation advancesWBG power electronics by bridging device-level characteristics with system-levelperformance, providing practical insights for next-generation high-efficiency,high-power-density converters in electric vehicles, renewable energy, data centers,and industrial applications.

I dispositivi a semiconduttore ad ampia banda proibita (WBG), in particolare il nitruro di gallio (GaN)e il carburo di silicio (SiC), offrono caratteristiche di commutazione superiori euna maggiore densità di potenza rispetto ai dispositivi al silicio. Tuttavia, la loro integrazionein sistemi di conversione pratici presenta delle sfide, tra cui la generazione di interferenze elettromagnetiche (EMI), i rigorosi requisiti dei driver di gate e la necessità diprogettare congiuntamente gli stadi di potenza con i componenti magnetici e le strategie di controllo. Questatesi affronta tali sfide attraverso un'indagine completa a livello di sistemadei dispositivi WBG in applicazioni di conversione di potenza ad alta frequenza,con particolare attenzione all'ottimizzazione dell'efficienza e alla mitigazione delle EMI.È stata sviluppata una piattaforma di misurazione integrata per la caratterizzazione precisadei dispositivi GaN e SiC utilizzando tecniche di campionamento a tempo equivalente,rivelando parametri dipendenti dalla frequenza, tra cui le variazioni della capacità di ingressoe il degrado della resistenza di conduzione a frequenze di commutazione elevate. Sono state analizzate sistematicamente diverse topologie di convertitori: convertitori buck sincroni a 1 MHz, configurazioni interleaved bifase, architetture a doppio ponte attivo (DAB) per caricabatterie OBC e convertitori DAB multilivello a tre livelli con punto neutro bloccato (3L-ANPC) per il funzionamento ad alta tensione. Sono state sviluppate strategie di controllo avanzate, tra cui il controllo in modalità corrente media con modulazione a triplo sfasamento, dimostrando prestazioni robuste su carichi resistivi, a batteria e di azionamento motore tramite validazione hardware-in-the-loop.L'aumento della densità di potenza è stato perseguito tramite induttori planari senza nucleo su PCB multistrato.L'analisi tridimensionale agli elementi finiti ha dimostrato la conformità agli standard sulle emissioni condotte, ottenendo al contempo una significativa riduzione del volume. I prototipi sperimentali a 1 MHz hanno convalidato la metodologia, sebbene i vincoli termici abbiano limitato le applicazioni ad alta potenza. Le strategie di soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) hanno combinato l'ottimizzazione passiva del layout con approcci di compensazione attiva. Una nuova topologia a doppio semiponte GaN con induttori in serie ha permesso di ottenere la riduzione delle emissioni, la soppressione delle oscillazioni di tensione e la commutazione a tensione zero.I contributi principali includono modelli comportamentali validati che catturano le caratteristiche dipendenti dalla frequenza, metodologie di progettazione per componenti magnetici senza nucleo che bilanciano densità di potenza e prestazioni termiche, strategie di controllo che consentono la commutazione a bassa perdita su un'ampia gamma di frequenze e tecniche integrate di soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).I limiti includono i vincoli di larghezza di banda di misura, i limiti termici degli induttori senza nucleo e le lacune nella validazione sperimentale per le topologie EMI attive. Le direzioni future comprendono la validazione sperimentale di filtri EMI attivi, l'integrazione con i sistemi di gestione delle batterie, la caratterizzazione dei dispositivi UWBG e lo sviluppo di framework di ottimizzazione multi-obiettivo autonomi. Questa tesi mira a far progredire l'elettronica di potenza WBG collegando le caratteristiche a livello di dispositivo con le prestazioni a livello di sistema, fornendo spunti pratici per i convertitori ad alta efficienza e densità di potenza di prossima generazione in veicoli elettrici, energie rinnovabili, data center e applicazioni industriali.