MULTILEVEL POWER CONVERTERS FOR RENEWABLE ENERGY SOURCES AND ELECTRIC TRACTION COMBINING SILICON AND WBG DEVICES.

La crescente domanda globale di energia e l'urgente necessità di ridurre le emissioni di gas serra hanno accelerato la transizione dai sistemi basati sui combustibili fossili verso tecnologie più pulite ed efficienti. Nel settore della generazione di energia, le fonti rinnovabili come il solare e l'eolico sono diventate sempre più importanti; tuttavia, la loro natura intermittente pone sfide significative per un'integrazione in rete stabile e affidabile. Allo stesso tempo, il settore dei trasporti sta subendo una trasformazione simile, con il passaggio dai motori a combustione interna convenzionali a soluzioni di mobilità elettrica mirate a raggiungere un trasporto sostenibile e a basse emissioni. Nelle varie applicazioni, l'elettronica di potenza svolge un ruolo fondamentale consentendo una conversione, un controllo e un accumulo efficienti dell'energia. Attraverso convertitori avanzati, inverter e strategie di controllo, l'elettronica di potenza garantisce un'interazione fluida tra fonti rinnovabili, sistemi di accumulo e azionamenti elettrici, migliorando l'efficienza complessiva, l'affidabilità e la flessibilità nell'intero ecosistema energetico. Nel corso degli anni, i progressi di questa tecnologia hanno migliorato significativamente le prestazioni dei convertitori di potenza, riducendo progressivamente i costi e aumentando al contempo l'efficienza complessiva del sistema. I transistor bipolari a gate isolato a base di silicio (Si-IGBT) sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di energia rinnovabile ed E-mobility grazie alla loro capacità di gestire tensioni e correnti elevate con perdite di conduzione relativamente basse. Tuttavia, alcune carenze intrinseche di questi dispositivi hanno spinto lo sviluppo di dispositivi basati su semiconduttori wid-bandgap (WBG), come il carburo di silicio (SiC-MOSFET) e il nitruro di gallio (GaN). Questi materiali mostrano proprietà elettriche e termiche superiori, consentendo frequenze di commutazione più elevate, perdite minori e una maggiore densità di potenza. Tali vantaggi rendono i dispositivi WBG ideali per applicazioni in sistemi di energia rinnovabile e trazione elettrica. Si prevede che la crescente adozione dei semiconduttori WBG giocherà un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni delle future generazioni di sistemi energetici sostenibili e veicoli elettrici. Tuttavia, il costo di questi nuovi dispositivi attualmente supera quello dei convenzionali IGBT. Per accelerarne l’introduzione, il lavoro di questa tesi è quello di indagare strutture di convertitori multilivello che combinano dispositivi tradizionali al silicio e dispositivi WBG per migliorare l'efficienza riducendo al minimo l’aumento dei costi. Questa tesi integra modellazione teorica, simulazione e convalida sperimentale per valutare la fattibilità e l'efficacia degli approcci proposti nei sistemi di conversione di potenza. Particolare enfasi è posta sulla valutazione dell'impatto degli approcci proposti su efficienza, costi, risparmio energetico e gestione termica. I diversi tipi di dispositivi di potenza utilizzati nelle applicazioni di energia rinnovabile e mobilità elettrica (Si-IGBT, SiC-MOSFET e GaN HEMT) vengono prima analizzati da una prospettiva fisica, evidenziandone vantaggi e svantaggi, mentre successivamente vengono presentati gli studi sperimentali condotti al fine di dimostrare la validità dello studio teorico precedente.

The growing global demand for energy and the urgent need to reduce greenhouse gas emissions have accelerated the transition from fossil fuel-based systems toward cleaner and more efficient technologies. In the power generation sector, renewable energy sources such as solar and wind have become increasingly prominent; however, their intermittent nature poses significant challenges for stable and reliable grid integration. At the same time, the transportation sector is undergoing a similar transformation, with the shift from conventional internal combustion engines to electric mobility solutions aimed at achieving sustainable and low-emission transportation. In both stationary and mobile applications, power electronics play a critical role by enabling efficient energy conversion, control, and storage. Through advanced converters, inverters, and control strategies, power electronics ensure seamless interaction between renewable sources, energy storage systems, and electric drives, enhancing overall efficiency, reliability, and flexibility across the entire energy ecosystem. Over the years, advancements in semiconductor technology have significantly improved the performance of power converters, progressively reducing cost, while increasing overall system efficiency. Silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistors (Si-IGBTs) are widely utilized in renewable energy and e-mobility applications due to their capability to handle high voltages and currents with relatively low conduction losses. However, some intrinsic deficiencies of these devices have driven the development of devices based on wide-bandgap (WBG) semiconductors, such as silicon carbide (SiC-MOSFET) and gallium nitride (GaN). These materials exhibit superior electrical and thermal properties, enabling higher switching frequencies, lower losses, and increased power density. Such advantages make WBG devices ideal for applications in renewable energy systems, electric traction, and industrial power conversion. A widespread adoption of WBG semiconductors is expected to play a pivotal role in improving the performance of future generations of sustainable energy systems and electric vehicles in the near future. However, the cost of these devices currently exceeds that of conventional Si-IGBTs by a significant margin. To speed up the introduction of WBG devices, this thesis investigate multilevel converter structures that combine Si-IGBTs and WBG devices to improve efficiency at a reasonable cost for use in electric vehicles, wind power, photovoltaic generators, and Flexible AC Transmission System (FACTS) applications. This investigation integrates theoretical modeling, simulation, and experimental validation to evaluate the feasibility and effectiveness of the proposed approaches in real-world power conversion systems. Particular emphasis is placed on assessing the impact of the proposed approaches on efficiency, cost, energy savings, and thermal management. The different types of power devices used in renewable energy and electric mobility applications (Si-IGBT, SiC-MOSFET, and GaN HEMTs), are first analyzed from a physical perspective, highlighting their advantages and disadvantages. Subsequently, the conducted studies and their application in the fields of energy generation from renewable sources and electric mobility will be presented, demonstrating the benefits in terms of energy efficiency and cost of the proposed approach in real-world power conversion systems.