APOLLO: Alimentatori di Potenza per aLti Livelli di radiaziOne Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione INFN – Padova

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

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 l’upgrade a maggiore luminosità, previsto per il 2019-2020 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 INFN – Padova

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 Vdc. INFN – Padova

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. INFN – Padova

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

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: capacità di operare in un ambiente con elevata dose di radiazione ionizzante (rad-hard); capacità di operare in presenza di una campo magnetico statico molto elevato che può andare da qualche decina di milli Tesla fino al Tesla; elevato rapporto di riduzione della tensione in modo da realizzare basse tensioni di uscita a partire da una elevata tensione di ingresso; INFN – Padova

Attività Padova (Elettronica di Potenza) L'attività di ricerca si svolgerà secondo tre filoni principali: 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); soluzioni aventi un elevato rapporto di riduzione della tensione (high step-down ratio), in modo da innalzare la tensione di alimentazione d’ingresso e aumentare così la potenza distribuita; Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di tipo enhancement mode; INFN – Padova

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

Topologie per convertitori POL SL1 SH1 SL2 SH2 SL3 SH3 - + ug uo Load Interleaved Buck with Voltage Divider S1 S2 S3 S4 L1 Co R C1 L2 Uin Uo + - UC1 Multiphase Interleaved Buck Converters INFN – Padova

PoL con induttanze in ferrite Cin L1 L2 S1 S3 S4 L = 7 cm, W = 3.5 cm S2 fsw = 280 kHz Vin = 12 V Vo = 2 V Io = 20 A Efficiency comparison 0.72 0.76 0.8 0.84 0.88 3 2.5 2 1.5 1 IBVD Single Buck Output current [A] Interleaved Buck with Voltage Divider INFN – Padova

PoL con induttanze in aria fsw = 1 MHz Vin = 12 V Vo = 2.5 V Io = 3 A Vin Vout L = 7 cm, W = 3,5 cm Efficiency comparison 0.72 0.76 0.8 0.84 0.88 3 2.5 2 1.5 1 IBVD Single Buck Output current [A] Interleaved Buck with Voltage Divider INFN – Padova

Circuito di test dinamico per MOSFET GaN MOSFET GaN EPC Con solder bumps DUT DRIVER VCC Rs L CF + Io(t) iL Bottom view Raggi X del dispositivo per la verifica della qualità di saldatura Obiettivo: Misurare contemporaneamente tensione e corrente del dispositivo negli intervalli di commutazione su carico induttivo INFN – Padova

GaN: misure dinamiche Turn off VDC = 20V, IDS = 10A, Vgate = 5V, Ton = 412 ms -IDS [2 A/div] VDS [4.2 V/div] VgS [1 V/div] Turn off INFN – Padova

RDSon dinamica -IDS [2 A/div] VDS [21 mV/div] INFN – Padova

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. INFN – Padova

Richieste servizi di sezione Attività principali: Saldatura componenti su PCB. Realizzazione di circuiti di test per l’irraggiamento di sistemi e componenti. INFN – Padova