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 Gruppi coinvolti INFN Padova: Paccagnella alessandro (responsabile) – 40% Gerardin Simone (ric/prof università) – <100% Tenti Paolo (ric/prof università) – 100% Spiazzi Giorgio (ric/prof università) – 100% Costabeber Alessandro (dottorando) – 100% Sichirollo Francesco (dottorando) – 100% Stellini Marco (tecnico) – 100%

3 INFN – Padova3 Gruppi coinvolti INFN Roma: Beccaro Stefania (responsabile) – 50% Iannuzzo Francesco (ric/prof università) – 100% Sanseverino Annunziata (ric/prof università) – 100% INFN Milano: Riva Marco (responsabile) – 70% Citterio Mauro (INFN) – 20% Maranesi Piergiuseppe (ric/prof università) – 100% Della Giustina Davide (dottorando) – 100% Belloni Federico (assegnista) – 100% INFN Pavia: Lanza Agostino (responsabile locale e nazionale) – 40% Cova Paolo (ric/prof università) – 100% Menozzi Roberto (ric/prof università) – 100% Bernardoni Mirko (dottorando) – 100%

4 INFN – Padova4 Motivazioni I sistemi di alimentazione per rivelatori a maggior consumo di corrente, quali calorimetri e muoni, richiedono linstallazioni di alimentatori dedicati allinterno della caverna sperimentale, ad una distanza compatibile con le specifiche di alta efficienza totale dei sistemi. Lo sviluppo di alimentatori in grado di operare in ambiente ostile richiede tempi lunghi tra fase di progetto e reale disponibilità sul campo (circa 10 anni). I sistemi di alimentazione attualmente installati sono qualificati per unoperatività di 10 anni di esposizione ai livelli di radiazione simulati: dovranno essere sostituiti per il run successivo allupgrade ad una maggiore luminosità di LHC prevista per il decennio 2020-2030.

5 INFN – Padova5 Motivazioni Laumento dei carichi previsti dallupgrade di LHC richiede un ripensamento dei sistemi di alimentazione volto ad aumentarne lefficienza ed a ridurne lingombro Esempio: alimentatore calorimetri attuale

6 INFN – Padova6 Motivazioni Esempio: alimentatore calorimetri attuale

7 INFN – Padova7 Obiettivi Definizione delle specifiche dettagliate di sistemi di alimentazione di bassa tensione utilizzabili dai calorimetri Lar e dai rivelatori di muoni di ATLAS per lupgrade a luminosità di 4- 6 x 10 34 cm -2 s -1, 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

8 INFN – Padova8 Linee di sviluppo - 1 Studio e scelta dei dispositivi semiconduttori critici da implementare nei sistemi, partendo dai risultati ottenuti con il PRIN 2007 e 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.

9 INFN – Padova9 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.

10 INFN – Padova10 Alimentazioni distribuite POL 280 V DC DC/DC IBCPOL IBC DC 48V 10% Regulated DC bus voltage Intermediate bus voltage 12V 10% Unregulated Intermediate Bus Converter POL POL = Point Of Load converter

11 INFN – Padova11 Alimentazioni distribuite POL 280 V DC DC/DC POL Isolated Main Converter DC 12V 5% Regulated DC bus voltage

12 INFN – Padova12 Alimentazioni distribuite POL 280 V DC DC/DC POL DC 48V 5% Regulated DC bus voltage Isolated Main Converter High step-down ratio POL Converters

13 INFN – Padova13 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;

14 INFN – Padova14 Attività Padova (Elettronica di Potenza) 4.minimi volume e massa; 5.elevata efficienza per la limitazione della dissipazione termica e, in generale, elevato controllo del sistema termico; 6.basso livello di interferenza elettromagnetica prodotta; 7.elevata affidabilità. 4.minimi volume e massa; 5.elevata efficienza per la limitazione della dissipazione termica e, in generale, elevato controllo del sistema termico; 6.basso livello di interferenza elettromagnetica prodotta; 7.elevata affidabilità. 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:

15 INFN – Padova15 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;

16 INFN – Padova16 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.Valutazione degli effetti cumulativi dovuti alla radiazione ionizzante (dose totale e danno da displacement); 2.Test di MOSFET di potenza in diverse condizioni di lavoro; 3.Analisi delle possibili interazioni tra i fenomeni di dose totale e quelli di evento singolo 4.Test di dispositivi di potenza GaN HEMT 5.Test sul convertitore completo 1.Valutazione degli effetti cumulativi dovuti alla radiazione ionizzante (dose totale e danno da displacement); 2.Test di MOSFET di potenza in diverse condizioni di lavoro; 3.Analisi delle possibili interazioni tra i fenomeni di dose totale e quelli di evento singolo 4.Test di dispositivi di potenza GaN HEMT 5.Test sul convertitore completo

17 INFN – Padova17 Richiesta finanziaria Capitolo 201120122013 Inventariabile Generatore di forme d'onda arbitrarie 12,000.00 Carico attivo per test dinamico di convertitori point of load 7,000.00 Camera termica 12,000.00 Sonde di corrente 3,000.00 Accessori per test EMC 3,000.00 Materiale di consumo Componentistica per realizzazione prototipi e irraggiamento 7,000.00 8,000.00 3,000.00 Realizzazione PCB multistrato 3,000.00 5,000.00 Realizzazione PCB con tecnologia IMS 4,000.00 5,000.00 Componenti di potenza GaN 1,000.00 Realizzazione banco di misura per disturbi condotti 2,000.00 Realizzazione circuiti di test per irraggiamento componenti 5,000.00 2,000.00 Missioni interne Riunioni di collaborazione 6,000.00 Partecipazione ad irraggiamenti (2+2+2 settimane) 2,000.00 Missioni esterne Partecipazione a conferenze 3,000.00 Part. a irraggiamenti (Uppsala e/o CERN, 2 settimane) 2,000.00 Licenze softwarePLECS (simulazione) 3,000.00 Assistenza informatica e manutenzione software 1,000.00 Totale per anno: 54,000.00 47,000.00 31,000.00 Totale: 132,000.00

18 INFN – Padova18 Richiesta servizi di sezione Attività principali: 1.Realizzazione di circuiti stampati. 2.Realizzazione di circuiti di test per lirraggiamento di sistemi e componenti. 1.Realizzazione di circuiti stampati. 2.Realizzazione di circuiti di test per lirraggiamento di sistemi e componenti.