Els dispositius semiconductors de potència es requereixen per transmetre o rebre gairebé qualsevol tipus de senyal elèctrica i energia electromagnètica. En temps de constant augment del consum energètic i de la sensibilitat medi-ambiental, aquests petits dispositius poden dura a terme un gran paper. Un aspecte molt important és la elecció del material semiconductor. El carbur de silici (SiC) es un semiconductor de ample banda prohibida que té algunes de les propietats desitjades per a la reducció de pèrdues energètiques. Amb aquest material es poden fer servir regions conductores més fines sense disminuir el voltatge de ruptura gràcies al seu gran valor de camp elèctric de ruptura. Això es tradueix en caigudes de tensió en directe més petites, a més de permetre també una reducció en les pèrdues de commutació gracies a la petita quantitat de portadors que s´han de buidar després del blocatge en invers. A més a més, la amplia banda prohibida i la gran conductivitat tèrmica del SiC en comparació amb el silici permet al dispositius basats en SiC treballar amb densitats de corrent més altes i a més altes temperatures. El tamany i la complexitat del sistemes de potència es redueixen significativament amb components més petits i menors requeriments de sistemes de refredament. Aquesta tesi investiga el disseny, la fabricació i la caracterització de diodes bipolars, Schottky i JBS (Junction Barrier Rectifier) en SiC. S´ha desenvolupat una seqüència de processament basada en la tecnologia de processat de silici disponible a la sala blanca del CNM. A mesura que es millora la tecnologia del material, el paper del disseny de dispositius de potència en SiC esdevé més important. Específicament, per poder extraure totes les capacitats del SiC respecte a la tensió de ruptura es requereix una terminació perifèrica adequada del dispositiu per tal de reduir el fenomen de field crowding que es produeix a la perifèria de la unió principal i que redueix significativament el voltatge de ruptura ideal del dispositiu. Així doncs, un dels objectius principals d´aquesta tesi és el disseny i desenvolupament de terminacions altament efectives per a diodes planars de SiC. Al capítol segon es presenta el disseny i optimització de diferents tècniques de terminació mitjançant l´ús de simuladors numèrics comercials calibrats específicament per al 4H-SiC. La major atenció es centra en la terminació denominada JTE (Junction Termination Extension), i en una nova terminació desenvolupada durant aquest treball de tesi denominada "Floating guard rings assisted JTE", amb la qual s´ha aconseguit una gran eficàcia.La caracterització i l´anàlisi dels principals processos involucrats en la fabricació dels nostres dispositius es resumeix al capítol tercer, a on es detallen els processos de implantació iònica, recuit d´activació de les impureses i la formació dels contactes. Els resultats obtinguts es poden transferir directament a la fabricació de dispositius comercials de SiC. El capítol quart mostra la gran eficàcia que les nostres terminacions han demostrat en els diodes fabricats, especialment amb la nova estructura proposada. A més a més, també s´analitza el funcionament en invers dels diodes així com alguns aspectes tecnològics de segon ordre que habitualment no es tenen en compte però que nosaltres hem demostrat que poden ser de gran importància per al correcte funcionament dels dispositius. Finalment, el capítol cinquè dona a conèixer el funcionament en directe i a altes temperatures (fins a 300ºC) dels tres tipus de diodes fabricats: bipolars (PiN), Schottky i JBS. / Power semiconductor devices are required whenever sending, transmitting or receiving almost any type of electrical and electromagnetic energy or signal/information. In times of escalating power consumption and increasing environmental awareness, these small electronic devices can play a big role. Of large importance is naturally the choice of semiconductor material. Silicon carbide (SiC) is a wide bandgap material that has some of the desired properties to reduce these losses. Short drift regions can be utilized without reducing the blocking voltage thanks to the extremely high electric field strength. This instantly leads to a smaller on-state voltage drop, but also a reduction in switching losses of the device due to the decreased amount of charge carriers that must be swept away after blocking. Moreover, the wide bandgap and high thermal conductivity of SiC compared to silicon allow higher current densities and higher operating temperatures of the devices. The size and complexity of power systems are significantly reduced with smaller components and reduced need for cooling systems. This thesis concerns the design, process integration, fabrication and evaluation of PiN, JBS and Schottky rectifiers in SiC. A process sequence has been developed based on the available silicon process technology in the CNM cleanroom environment.. As the material technology continues to improve, the role of SiC power device design is becoming more important. Specifically, to fully exploit the high reverse blocking capabilities of SiC, proper device edge termination is required to alleviate the device from the well known field crowding effect at the main junction edge that significantly decreases the theoretical one-dimensional breakdown voltage. Thus, one principal aim of this thesis is the design and development of high efficient edge terminations for high power planar SiC diodes. In Chapter 2, it will be presented the design and optimisation of various edge termination techniques using specific 4H-SiC calibrated numerical simulations. Main attention will be focused on junction termination extension techniques (JTE), and a novel edge termination structure namely "Floating guard rings assisted JTE" is presented with great blocking performances.Characterisation and analysis of the main processes involved in the fabrication of our high power diodes are reported in Chapter 3, including ion implantation, activation annealing and contact formation. The obtained results are directly applicable and focus on important problems in the fabrication of SiC power devices. Chapter 4 demonstrates the high blocking efficiency on our fabricated diodes of our previously designed edge terminations, specially that of the novel developed structure, and an analysis of the breakdown behaviour will be reported. Moreover, we also analyse secondary order design parameters, which are not usually considered but clearly important as our results will shown. Finally, Chapter 5 covers the current-voltage performance at high temperature operation, up to 300ºC, of the three different power rectifiers fabricated: PiN, JBS and Schottky.

Este trabajo presenta un estudio del convertidor Boost Bidireccional con filtro de salida, abordando los aspectos de modelación y control. Se presenta un modelo de pequeña señal que permite separar los polos del convertidor de los polos del filtro de salida poniendo de manifiesto la escasa influencia de la parte lineal (filtro) sobre la dinámica del sistema. Se estudian asimismo distintas estrategias de control en pequeña señal de un solo lazo (realimentación de la tensión de salida) y de dos lazos (control en modo corriente) que ponen de manifiesto la mejora de la dinámica del regulador en este ultimo caso.Finalmente, se extiende la realimentación de estado en el caso del comportamiento no lineal del convertidor. Dicha extensión conduce a una síntesis de controles en el dominio temporal, que han sido simulados y corroborados experimentalmente, permitiendo establecer la eficacia del control en modo corriente en régimen de gran señal.

El objetivo deseado es la experimentación del control con microprocesador de un convertidor CC/CC, para optimizar su rendimiento. La filosofía utilizada se basa en el uso de dos políticas de control distintas para controlar el convertidor: el modo de la relación de conducción y el modo de corriente. Cada política da una dinámica distinta al sistema. Mediante el uso de un estimador predictor se escoge en cada periodo de muestreo aquel modo que maximice el rendimiento.Las aportaciones presentadas abarcan varias áreas: a) la modelación del convertidor, presentándose un nuevo método de modelación, el método de regresión; b) el diseño de la ley de control y del estimador de estado, mediante un paquete de programas desarrollado; c) la realización del circuito de control del convertidor, que permita el modo de funcionamiento dual; d) el algoritmo de control.Es de destacar que varias de las aportaciones realizadas son extensibles a otros sistemas, no específicamente convertidores CC/CC (puede se incluso sistemas no electrónicos).

Aquesta tesi tracta sobre amplificació de potència d'alt rendiment de senyals variables en el temps; concretament, tracta sobre conversió de potència eficient (amb mínimes pèrdues) de tensions DC continues en senyals de tensió no constants. Aquest tipus de conversió de potència està present en la majoria de dispositius electrònics d'ús quotidià, com ara telèfons mòbils i reproductors de música portàtils, així com també en dispositius d'alta potència com amplificadors d'àudio i estacions base de telefonia mòbil. Generalment l'energia està disponible en forma de tensió DC contínua (d'una bateria o d'una font d'alimentació). D'acord amb la informació a transmetre, aquesta energia s'ha de processar o transformar en un senyal variable en el temps de manera que, per exemple, es pugui convertir en àudio per un altaveu . La tendència de mercat és a reduir la mida i el pes dels dispositius electrònics i a oferir noves funcionalitats, incloent una llarga autonomia en dispositius alimentats per bateries. Millorar l'eficiència dels amplificadors de potència no només n'estendria l'autonomia, sinó que també permetria utilitzar dissipadors més petits i lleugers. Altres aplicacions com les d'alta potència o integrades també es beneficiarien de millores en l'eficiència dels amplificadors de potència. Els dispositius electrònics de processament de potència més eficients són els amplificadors commutats. Aquests utilitzen components reactius (bàsicament bobines i condensadors) per dur a terme un processament de potència idealment sense pèrdues, així com dispositius actius (transistors) controlats com interruptors (o bé tancats o bé oberts), per tal de controlar aquest procés. Tot i que es poden assolir eficiències molt altes amb amplificadors commutats, la precisió de seguiment pot no ser gaire bona. Es pot millorar la precisió de seguiment senzillament incrementant la freqüència de commutació (la freqüència a la qual es fan commutar els interruptors), tot i que, com que es requereix una certa quantitat d'energia per fer commutar cada interruptor (pèrdues de commutació), aquesta tècnica també deteriora l'eficiència de l'amplificador. Existeix doncs un comprimís entre la freqüència de commutació i la precisió de seguiment en els amplificadors commutats (compromís eficiència-distorsió). Els amplificadors commutats habitualment es dissenyen per treballar a una freqüència de commutació alta comparada amb l'amplada de banda que han de seguir. Mentre que amb aquesta estratègia de disseny (i tecnologia actual) es poden dissenyar amplificadors per seguir senyals de l'ordre de kHz, si s'aplica per seguir senyals de l'ordre de MHz, els amplificadors haurien de treballar a freqüències de commutació massa altes, inviables des del punt de vista de les pèrdues de commutació. Amb l'objectiu d'abordar el compromís entre distorsió i eficiència dels amplificadors commutats, aquesta tesi explora diferents tècniques per estendre l'amplada de banda relativa dels amplificadors commutats, és a dir, tècniques per reduir la relació entre la freqüència de commutació de l'amplificador i la seva amplada de banda de seguiment. Basant-se en una interpretació alternativa dels amplificadors commutats, com a procés de codificació i reconstrucció, les diferents tècniques d'extensió de banda que aquí s'exploren contemplen utilitzar modulacions alternatives, amplificació de potència multi-nivell, filtrat d'ordre elevat i polítiques de commutació millorades en els convertidors commutats. La caracterització de les prestacions en termes de freqüència de commutació, error de seguiment i robustesa davant no idealitats (incloent compatibilitat electromagnètica i acoblament entre canals) apunta la idoneïtat de l'amplificació de potència multi-nivell basada en moduladors asíncrons per dissenys que treballin a freqüències de commutació relativament baixes, és a dir, a freqüències de commutació comparables a l'amplada de banda del senyal a seguir i amplificar. / This thesis is about power amplification of time-varying signals; more precisely, it is about efficient power conversion, i.e. with minimum losses, of DC constant voltages into non-constant voltage signals. This kind of power conversion is quite common in power-management circuits and electronics in general. It is present in most everyday use electronic devices, including mobile phones, portable audio players and routers, as well as in high-power devices such as audio amplifiers and wireless base stations. In most electronic devices, whether portable or not, the energy is available as DC constant voltage (typically from a battery or a power supply). According to the information to transmit, this energy must be processed or transformed into a time-varying analogue signal so that, for instance, it can be directly converted into audio by a speaker or radiated by an antenna. The market trend is to reduce the size and weight of electronic devices whilst offering new or enhanced functionalities, including long autonomy in battery-powered devices (mainly portable). Improving the efficiency of power amplifiers not only extends the autonomy, but also allows using smaller and lighter heatsinks. Other applications such as high-power or embedded would also benefit from efficiency improvements of switching amplifiers. The most efficient power-processing electronic devices are switching amplifiers. Switching amplifiers use reactive components (mainly inductors and capacitors) to perform an ideally lossless power processing, and active devices (transistors) driven as switches, either ON or OFF, to control this process. Whilst very high efficiencies can be achieved with switching amplifiers, their tracking fidelity may not be very high. The tracking fidelity can be improved by simply increasing the switching frequency (i.e. the frequency at which the active devices are driven), although, provided that a certain amount of energy is required to switch the state of each active device (switching losses), this technique also degrades the efficiency of the amplifiers. Therefore, there exists a trade-off between switching frequency and tracking fidelity in switching amplifiers (efficiency-distortion trade-off). Switching amplifiers are typically designed using a high switching frequency compared to the amplifier's tracking bandwidth. Whilst this design strategy leads to feasible designs for kHz-bandwidth applications (using state-of-the-art technology), when applied to MHz-bandwidth applications, it leads to designs operating at very high switching frequencies, unfeasible with regard to switching losses. With the scope of addressing the efficiency-distortion trade-off of switching amplifiers, this thesis explores different techniques to extend the relative bandwidth of switching amplifiers, i.e. techniques to reduce the ratio of the amplifier's switching frequency to the amplifier's tracking bandwidth. Based on an alternative interpretation of switching amplifiers, as an encoding-reconstruction process, the different bandwidth extension techniques consider using alternative modulations, multi-level power amplification, high-order filtering and enhanced switching policies in the switching converter. The performance characterisations in terms of switching frequency, tracking error and robustness against non-idealities (including electromagnetic compatibility and crosstalk) points out the suitability of multi-level power amplification based on asynchronous modulators for designs operating at relatively low switching frequencies, i.e. at switching frequencies in the same range than the bandwidth of the signal to track and power amplify.

SA l'actualitat les societats industrials avançades basen el seu desenvolupament en les noves Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC). Però aquestes tecnologies són molt sensibles a la qualitat i continuïtat del seu subministrament d'energia elèctrica. Per aquest motiu els Sistemes d'Alimentació Ininterrompuda (SAI) i, per tant, els onduladors, estan agafant un nou protagonisme com a elements fonamentals de la nova societat de les TIC.Els equipaments de les TIC són en la seva totalitat equips electrònics que es comporten com a càrregues no lineals per a la xarxa elèctrica que els alimenta. Les càrregues no lineals consumeixen intensitats no sinusoïdals que en el cas d'ésser alimentades per SAI originen una distorsió harmònica de l'ona de tensió sinusoïdal de sortida. En aquests moments els SAI presents al mercat presenten una Distorsió Harmònica Total (THD) no inferior al 5% quan alimenten càrregues no lineals. Disminuir aquesta distorsió és l'actual repte en el disseny dels onduladors dels SAI.El present treball proposa una sèrie de tècniques de control, per tal d'aconseguir onduladors amb una molt baixa taxa de distorsió harmònica, basades en una nova metodologia de control no lineal provenint de la teoria del control en mode lliscant. La principal aportació del control en mode lliscant és la seva robustesa davant les pertorbacions i, per tant, sembla una tecnologia de control perfectament adaptada per a respondre a les càrregues no lineals de les TIC. La principal dificultat de l'aplicació pràctica dels controls que s'estudien en el present treball és la necessitat d'efectuar els càlculs necessaris amb una elevada velocitat per tal d'aconseguir freqüències d'execució de l'algoritme de control no inferiors a 40 kHz.En el present treball s'han dissenyat i construït els prototipus necessaris per tal d'implementar els algoritmes de control estudiats perquè siguin executats en un Processador Digital de Senyal (DSP) amb una freqüència d'execució prou elevada per tal d'aconseguir una distorsió harmònica total (THD) extraordinàriament baixa alimentant càrregues totalment no lineals. Es creu sincerament que no existeix, en aquests moments, al mercat cap altre ondulador amb les característiques aconseguides. / Nowadays, advanced industry societies base their development on Information Technologies and Communication (ITC). But these technologies are very sensitive to quality and continuity of power supply. For this reason Uninterruptible Power Supply (UPS) and, in fact, inverters are taking the chief role in fundamental elements of new societies of ITC.ITC equipment is totally electronics and their behaviour is like a nonlinear load for electrical grid supplying them. Nonlinear loads consume non-sinusoidal currents that in case they are supplied by an UPS produce harmonic distortion of the voltage output wave. Nowadays, UPS in the market achieve a Total Harmonic Distortion (THD) not less than 5% when supplying nonlinear loads. Decrease this distortion is the goal in UPS inverter design.The present work proposes several techniques in order to obtain a low THD. These techniques are based on a new nonlinear control methodology developed from sliding mode control theory. The main feature of sliding mode control is its robustness in front of perturbations and, therefore, it seems a very interesting method for nonlinear loads of the ITC. However, the main difficulty in the actual application is the need for high speed processors in order to achieve high frequency algorithm execution, not less than 40 kHz.In the present work new prototypes have been designed and constructed to implement the studied control algorithms. Theses prototypes use high speed DSPs in order to achieve a low THD in the inverter supplying nonlinear loads. In the market does not exist a similar inverter with similar features like ones developed in this work.