Galvanic isolation interface and gate driver for power switching systems in GaN technology [Interfaccia di isolamento galvanico e gate driver per sistemi di commutazione di potenza in tecnologia GaN]

This thesis is submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Philosophiae Doctor PhD)inSystems, Energy, ComputerandTelecommunicationsEngineeringattheUniver sity of Catania. This work was carried out at the Department of Electrical, Electronics and Com puter Engineering (DIEEI), with the supervision of professors Salvatore Pennisi and Giuseppe Palmisano. This PhD was funded in part by Italian Minister of Research PON Ricerca e inno vazione 2014-2020, Azione n. IV.6. This work was supported in part by the Project SAMOTH RACE funded by European Union (NextGeneration EU) through MUR- PNRR under Grant ECS00000022. Besides, this research was partially supported by the Horizon 2020 Framework Programme Project (ECSEL-IA- ECSEL Innovation Action): 101007310 — GaN4AP and by the European Commission through project ASCENT+: Access to European Infrastructure for Nano electronics, funded under H2020, grant 871130. This thesis presents innovative designs for power switching applications utilizing Gallium Nitride (GaN) technology. Key contributions include the development of fully integrated gal vanic isolation interfaces, high-performance operational amplifiers, and novel gate driver cir cuits. Additionally, the thesis introduced innovative techniques to address challenges associated with GaNdevices, such as the large parameters spread, the absence of p-channel transistors and the need for effective ESD protection. The research findings contribute to advancing the state-of the-art in GaN power electronics and pave the way for future developments in high-efficiency, high-power applications.

Questa tesi è presentata come adempimento parziale dei requisiti per il conseguimento del titolo di Dottore di Ricerca (PhD) in Ingegneria dei Sistemi, dell’Energia, dell’Informatica e delle Telecomunicazioni presso l’Università degli Studi di Catania. Questo lavoro è stato svolto presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e Informatica (DIEEI), sotto la supervisione dei professori Salvatore Pennisi e Giuseppe Palmisano. Questo dottorato è stato finanziato in parte dal Ministero Italiano della Ricerca attraverso il programma PON Ricerca e Innovazione 2014-2020, Azione n. IV.6. Il lavoro è stato inoltre supportato in parte dal progetto SAMOTHRACE finanziato dall’Unione Europea (NextGeneration EU) tramite il MUR - PNRR, con il Grant ECS00000022. Inoltre, questa ricerca è stata parzialmente sostenuta dal programma quadro Horizon 2020 (ECSEL-IA - ECSEL Innovation Action), progetto n. 101007310 — GaN4AP, e dalla Commissione Europea attraverso il progetto ASCENT+: Accesso alle Infrastrutture Europee per la Nanoelettronica, finanziato nell’ambito del programma H2020, Grant 871130. Questa tesi presenta progetti innovativi per applicazioni di commutazione di potenza basati sulla tecnologia al Nitruro di Gallio (GaN). I contributi principali includono lo sviluppo di interfacce galvanicamente isolate completamente integrate, amplificatori operazionali ad alte prestazioni e circuiti innovativi per pilotaggio di gate. Inoltre, la tesi introduce tecniche innovative per affrontare le sfide associate ai dispositivi GaN, come l’elevata variabilità dei parametri, l’assenza di transistor a canale p e la necessità di una protezione ESD efficace. I risultati della ricerca contribuiscono all’avanzamento dello stato dell’arte nell’elettronica di potenza basata su GaN e aprono la strada a futuri sviluppi in applicazioni ad alta efficienza e potenza elevata.