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INFN – Padova1 APOLLO: Alimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOne Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi Dipartimento di Ingegneria dellInformazione.

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1 INFN – Padova1 APOLLO: Alimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOne Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi Dipartimento di Ingegneria dellInformazione

2 INFN – Padova2 Gruppo Padova INFN Padova: Paccagnella Alessandro – 30% Spiazzi Giorgio (responsabile) – 70% Stellini Marco (tecnico) – 100%

3 INFN – Padova3 Obiettivi Messa a punto di un dimostratore di un sistema di alimentazione distribuita utilizzabili dai calorimetri Lar e dai rivelatori di muoni di ATLAS per lupgrade a maggiore luminosità, previsto per il NOTA: le richieste di ATLAS in termini di tolleranza alle radiazioni e al campo magnetico sono generalmente simili o superiori a quelle degli altri esperimenti, ma chiaramente lo sviluppo di topologie e la selezione di componentistica adeguata e di interesse generale per tutti gli esperimenti ad LHC

4 INFN – Padova4 Linee di sviluppo - 1 Studio e scelta dei dispositivi semiconduttori critici da implementare nei sistemi, utilizzando anche nuove tecnologie che stanno emergendo, come i GaN. Studio e caratterizzazione di induttori ad alta frequenza di tipo coreless per i convertitori secondari. Progettazione, costruzione e verifica funzionale di un convertitore DC/DC primario isolato alimentato a 280 V dc.

5 INFN – Padova5 Linee di sviluppo - 2 Progettazione, costruzione e verifica funzionale di convertitori DC/DC secondari non isolati di tipo POL, sia coreless/inductorless che tradizionali. Sviluppo di strutture dissipative per i suddetti convertitori e caratterizzazione delle prestazioni termiche dei convertitori primari e secondari. Caratterizzazione della compatibilita elettromagnetica e del rumore coerente dei prototipi realizzati.

6 INFN – Padova6 Alimentazioni distribuite POL 280 V DC DC/DC POL Isolated Main Converter DC 12V 5% Regulated DC bus voltage Step-down POL Converters

7 INFN – Padova7 Attività Padova (Elettronica di Potenza) L'attività di ricerca proposta è volta allo studio di convertitori cc-cc di tipo Point of Load (POL) non isolati, aventi le seguenti caratteristiche: 1.capacità di operare in un ambiente con elevata dose di radiazione ionizzante (rad-hard); 2.capacità di operare in presenza di una campo magnetico statico molto elevato che può andare da qualche decina di milli Tesla fino al Tesla; 3.elevato rapporto di riduzione della tensione in modo da realizzare basse tensioni di uscita a partire da una elevata tensione di ingresso; 1.capacità di operare in un ambiente con elevata dose di radiazione ionizzante (rad-hard); 2.capacità di operare in presenza di una campo magnetico statico molto elevato che può andare da qualche decina di milli Tesla fino al Tesla; 3.elevato rapporto di riduzione della tensione in modo da realizzare basse tensioni di uscita a partire da una elevata tensione di ingresso;

8 INFN – Padova8 Attività Padova (Elettronica di Potenza) L'attività di ricerca si svolgerà secondo tre filoni principali: 1.Studio di soluzioni topologiche alternative alla classica configurazione step-down (Buck) capaci di lavorare ad elevata frequenza di commutazione in modo da utilizzare induttori privi di nucleo magnetico (coreless) ; 2.soluzioni aventi un elevato rapporto di riduzione della tensione (high step-down ratio), in modo da innalzare la tensione di alimentazione dingresso e aumentare così la potenza distribuita; 3.Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di tipo enhancement mode; 1.Studio di soluzioni topologiche alternative alla classica configurazione step-down (Buck) capaci di lavorare ad elevata frequenza di commutazione in modo da utilizzare induttori privi di nucleo magnetico (coreless) ; 2.soluzioni aventi un elevato rapporto di riduzione della tensione (high step-down ratio), in modo da innalzare la tensione di alimentazione dingresso e aumentare così la potenza distribuita; 3.Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di tipo enhancement mode;

9 INFN – Padova9 Attività Padova (Microelettronica) Individuazione dei componenti più adatti allo sviluppo del convertitore cc-cc POL dal punto di vista della tolleranza alla radiazione ionizzante 1.Test di dispositivi di potenza GaN HEMT 2.Test sul convertitore completo 1.Test di dispositivi di potenza GaN HEMT 2.Test sul convertitore completo

10 INFN – Padova10 Topologie per convertitori POL LC S L1 S H1 L S L2 S H2 L S L3 S H3 - + ugugugug uouououo Load Multiphase Interleaved Buck Converters S1S1 S2S2 S3S3 S4S4 L1L1 CoCo R C1C1 L2L2 U in UoUo + - U C1 + - Interleaved Buck with Voltage Divider

11 INFN – Padova11 PoL con induttanze in ferrite CoCo C1C1 C in L1L1 L2L2 S1S1 S3S3 S4S4 L = 7 cm, W = 3.5 cm S2S2 Efficiency comparison IBVD Single Buck Output current [A] f sw = 280 kHz V in = 12 V V o = 2 V I o = 20 A f sw = 280 kHz V in = 12 V V o = 2 V I o = 20 A Interleaved Buck with Voltage Divider

12 INFN – Padova12 PoL con induttanze in aria V in V out L = 7 cm, W = 3,5 cm Efficiency comparison IBVD Single Buck Output current [A] f sw = 1 MHz V in = 12 V V o = 2.5 V I o = 3 A f sw = 1 MHz V in = 12 V V o = 2.5 V I o = 3 A Interleaved Buck with Voltage Divider

13 INFN – Padova13 Circuito di test dinamico per MOSFET GaN Obiettivo: –Misurare contemporaneamente tensione e corrente del dispositivo negli intervalli di commutazione su carico induttivo DUT DRIVER V CC RsRsRsRs L CFCFCFCF + I o (t) iLiLiLiL MOSFET GaN EPC Con solder bumps MOSFET GaN EPC Con solder bumps Raggi X del dispositivo per la verifica della qualità di saldatura Bottom view

14 INFN – Padova14 GaN: misure dinamiche V DC = 20V, I DS = 10A, V gate = 5V, T on = 412 s -I DS [2 A/div] V DS [4.2 V/div] V gS [1 V/div] Turn off

15 INFN – Padova15 R DSon dinamica -I DS [2 A/div] V DS [21 mV/div]

16 INFN – Padova16 Richieste finanziarie (*1) Si vogliono realizzare prototipi di convertitori Point of Load impieganti dispositivi GaN. La velocità di commutazione di tali dispositivi rende fondamentale il controllo dei parassiti nella realizzazione del PCB, in particolare, la minimizzazione dell'induttanza nel percorso di Gate. (*2) I dispositivi GaN utilizzabili nei dimostratori hanno un package particolare volto a minimizzare le induttanze in serie ai terminali di Gate, Source e Drain ma non garantisce un efficace trasferimento di calore dalla giunzione interna all'ambiente esterno. Per questo motivo è necessario esplorare l'utilizzo di PCB in tecnologia IMS per un'efficace raffreddamento dei dispositivi.

17 INFN – Padova17 Richieste servizi di sezione Attività principali: 1.Saldatura componenti su PCB. 2.Realizzazione di circuiti di test per lirraggiamento di sistemi e componenti. 1.Saldatura componenti su PCB. 2.Realizzazione di circuiti di test per lirraggiamento di sistemi e componenti.


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