| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| THERMAL PERFORMANCE EVALUATION AND LOW INDUCTANCE PACKAGING LAYOUT DESIGN FOR SIC POWER MODULE | | Autor/a | Ma, Haohao | | Departamento | Electrónica | | Director/a | Cóbreces Álvarez, Santiago | | Codirector/a | Yang, Yuan | | Fecha de depósito | 28-10-2025 | | Periodo de exposición pública | 29 de octubre a 11 de noviembre de 2025 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Programa | Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Esta tesis doctoral aborda los desafíos actuales en el diseño y encapsulado de módulos de potencia de Carburo de Silicio (SiC), impulsados por la creciente demanda en vehículos eléctricos, centros de datos y energías renovables. A medida que los sistemas de electrónica de potencia evolucionan hacia frecuencias de conmutación más altas y mayores densidades de potencia, las tecnologías de encapsulado tradicionales enfrentan limitaciones en la gestión térmica y la inductancia parásita.
La investigación se estructura en tres contribuciones principales. Primero, se propone un novedoso método de modelado de resistencia térmica en estado estacionario (FSS-TRM) basado en la expansión de la serie de Fourier. Este modelo analítico supera las limitaciones computacionales de los métodos de elementos finitos (FEM), ofreciendo predicciones rápidas y precisas (error del 0.9%) de la resistencia térmica, con una mejora del 204% en eficiencia computacional, y permitiendo establecer una relación cuantitativa entre los parámetros del encapsulado y la resistencia térmica.
Segundo, para comprender mejor la interacción térmica en módulos con múltiples chips, se desarrolla un método de análisis de potencia de acoplamiento térmico basado en series de Fourier que introduce el concepto de "potencia de acoplamiento". Este enfoque proporciona una interpretación física clara del acoplamiento térmico y su correlación con la estructura del encapsulado. Los resultados demuestran una alta precisión (errores < 4%) y una eficiencia computacional cinco órdenes de magnitud superior a las simulaciones FEM, validando su aplicabilidad en el diseño térmico.
Tercero, se propone una estructura de encapsulado de doble cara para módulos SiC de baja inductancia parásita. Esta estructura innovadora aborda simultáneamente las deficiencias térmicas y eléctricas. Mediante la soldadura de dispositivos a ambas caras del sustrato de cobre unido directamente (DBC) y la optimización de interconexiones, se logran vías térmicas duales de alta eficiencia. El diseño eléctrico reduce la inductancia parásita en el lazo de potencia a través de la cancelación de inductancia mutua y el uso de interconexiones tridimensionales compactas. Las simulaciones y experimentos confirman reducciones significativas del 95% en la inductancia parásita, 37% en la sobretensión y 14% en las pérdidas de conmutación en comparación con los módulos convencionales.
En resumen, esta tesis establece una metodología integral para la optimización coordinada del rendimiento eléctrico y térmico en módulos de potencia de SiC. Las estrategias de modelado y diseño propuestas no solo mejoran la eficiencia de la evaluación térmica y el rendimiento eléctrico, sino que también proporcionan una sólida base teórica y técnica para la optimización estructural y la mejora de la fiabilidad en aplicaciones de alta frecuencia, velocidad y potencia. |
|
