ALIMENTAZIONE IN AMBIENTE OSTILE:
APPLICAZIONE AD ESPERIMENTI DI FISICA DELLE ALTE ENERGIE
Milano, 30 Novembre 2010
Architetture e Convertitori di Potenza
per la Distribuzione dell’Energia
Marco Riva
Università degli Studi di Milano
Distribuzione dell’Energia Elettrica
• La qualità e l’efficienza della distribuzione della
potenza elettrica rappresentano un elemento
chiave per il corretto funzionamento di ogni sistema
o apparecchiatura elettrica;
• I diversi livelli di utilizzo e di distribuzione
dell’energia rendono l’architettura di un sistema
elettrico complessa:
– Alimentazione con livelli diversi di tensione e corrente;
– Politica d’intervento dei carichi e gestione dei guasti;
– Dimensioni ridotte: sistemi integrati ad alta densità di
potenza con elevate criticità termiche;
– Soluzioni a basso costo.
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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2
Telecom Power System
MOTOR
48VDC BUS
Electrical Drive
400-480 3Φ
208-400V 3Φ
Telecom Power System
Electronic Board
120-230V 1Φ
48VDC BUS
120-230V 1Φ
UPS
Lighting System
UPS
Electronic Board
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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3
Alimentazione per l’elettronica di processo
negli esperimenti di fisica delle alte energie
• La dimensione e la complessità degli esperimenti
basati sull'acceleratore LHC ha imposto un
profondo cambiamento nei sistemi di alimentazione
dei rivelatori e dell’ ”elettronica di front-end e
readout” rispetto al progetto originale;
– I rivelatori a maggior consumo sono stati costretti ad
installare gli apparati di conversione in rack all’interno
della caverna sperimentale per garantire stabilità nelle
alimentazioni e riduzione delle perdite;
– Le modifiche hanno comportato la progettazione di
apparati in grado di lavorare in ambiente cosiddetto
ostile, cioè in presenza di alta radiazione e campo
magnetico.
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
14
Implementazione attuale del Sistema LVPS
19 regolatori lineari/FEB
Esperimento ATLAS
Sistema di alimentazione delle FEB del Calorimetro LAr.
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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15
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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16
Esempio LVPS @ LAr Detector
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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17
Requisiti Elettrici per LVPS
• Sistema a uscite multiple
• Regolazione di tensione: line ±5%, load ±10%
• Massima potenza richiesta in uscita: 3.2kW (25% fattore di crescita)
• Efficienza: >80%
• Ridondanza N+1
• Campo magnetico stazionario: 300G
• Presenza di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti (dose assorbita ϒ
450Gray)
• Compatibilità EM in accordo con VDE standard
• Dissipazione atta a rendere il sistema termicamente inerte
• Dimensioni fisiche complessive: 15cm x 40cm x 30cm
1Gy=100rad
1Gy=1Sv
1Gauss=10-4T
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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18
Considerazioni generali
1
• Le soluzioni proposte sono state ottenute mutuando
tecniche usate in ambito spaziale e dando impulso alla
ricerca di soluzioni e componentistica COTS (components
off the shelf) necessaria a garantire prestazioni adeguate in
termini di resistenza alle radiazioni, robustezza e
affidabilità;
• I sistemi di alimentazione attualmente installati sono
qualificati per un’operatività di 10 anni di esposizione ai
livelli di radiazione simulati;
Gli apparati di conversione dovranno essere sostituiti per il run successivo
all’upgrade ad una maggiore luminosità di LHC, previsto per il decennio 2020-2030.
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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19
Considerazioni generali
- Tendenza della situazione attuale •
2
L’aumento di luminosità, previsto dall’upgrade di LHC, spingerà verso
un “ripensamento” del’intero sistema elettronico di misura:
– Aggiornamento tecnologico della strumentazione
– Apparati con maggiori livelli di tolleranza alle radiazioni e al campo magnetico;
•
Appare necessaria un’ottimizzazione dei sistemi di alimentazione volta
ad aumentarne l’efficienza ed a ridurne l’ingombro;
•
La richiesta fondamentale è quella di fornire all’utente finale, con
elevata efficienza e rapida capacità di adattamento, una tensione
regolata in grado di rispondere alle richieste statiche e dinamiche dei
carichi.
•
Negli ultimi anni si sono registrate una serie di innovazioni
tecnologiche, che hanno spinto ad un progressivo innalzamento della
tensione di distribuzione primaria in CC in contrapposizione con un una
riduzione dei valori di tensione che sono passati dai tradizionali 5V ai
livelli richiesti dalle più recenti famiglie CMOS che scivolano anche
sotto i 2V.
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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22
Esempi di alimentazione richieste
dai moderni carichi digitali
Richieste di alimentazione dei prossimi dispositivi a logica programmabile
•OBDH COT DSP TX 5W, 3.3V;
•COTS Maxwell CPU board
SCS750 on Gaia:
3 Power PC @ 3.3V, 3x10W
Nei sistemi OBDH i livelli di tensione
richiesti sono 2.5V and 1.5V con un
consumo massima di potenza di 2W per
ciascun sottosistema.
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
23
Architetture per la distribuzione in CC
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Centralized Power Architecture (CPA):
•
Un unico sistema di conversione isolato genera l’intero set di tensioni CC regolate (±12V, ±5V e+3.3V) per
l’alimentazione dei sottosistemi.
Decentralized Power Architecture:
•
La conversione alle basse tensioni viene spostata in prossimità dei carichi con dei convertitori dedicati;
Distributed Power Architecture (DPA):
•
Un BUS di distribuzione DC intermedio (+48V or +12V) viene generato attraverso un off-line converter
(main DC-DC converter).
Intermediate Bus Architecture (IBA)
•
In aggiunta alla generazione di una tensione principale (48V-76V), un ulteriore set di tensioni di BUS sono
prodotte (8V-14V). Le basse tensioni sono pilotate attraverso point-of-load converters.
Spot Power Architecture
•
Costituisce una soluzione intermedia tra CPA and DPA. Oltre alla tensione di BUS tipica delle soluzioni DPA,
una o più tensioni sono prodotte direttamente.
Factorized Power Architecture (FPA)
•
Un BUS “factorized” (26V-55V) non stabilizzato e privo di isolamento galvanico alimenta i POL attraverso
converter dedicati (VTM).
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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24
Proposte
Ottimizzazione dell’architettura di distribuzione verso configurazioni
“a conversione distribuita”: (DPA) o con bus intermedio (IBA)
•
Razionalizzazione del numero delle tensioni di alimentazione
– Alimentazione di un solo livello di tensione intermedia
– Stadi successivi di conversione IBCs e POLs
•
Possibilità di adozione di soluzioni con topologie non convenzionali
– Ridotta tensione di stress sui dispositivi
– Elevata frequenza di commutazione
– Ottimizzazione del progetto dei componenti magnetici
– Riduzione delle perdite e conseguente alleggerimento del progetto
del dissipatore
•
Uso di regolatori niPOL
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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26
Architetture di distribuzione
DC bus regolato
1
CRATE
Card #3
48Vdc±10%
LDO Card
Converter
IB
Converter
280 Vdc
Main
DC/DC
Converter
LDO Card #1
POL
Converter LDO
niPOL
ConverterLDO
IB
Converter
LDO
Converter
POL
niPOL
Converter
LDO
Converter
niPOL
Converter
POL
POL
Converter
(ex LVPS)
Possibile uso di
Convertitori non
regolati
Converter
POL
#2
POL
POL
POL
POL
12V±10%
DC bus
intermedio
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5V±10%
PoL = Point Of Load
IB = Intermediate Bus
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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28
Architetture di distribuzione
2
CRATE
Card #3
LDO Card
Converter
LDO Card #1
POL
Converter LDO
280 Vdc
niPOL
ConverterLDO
Main
DC/DC
Converter
Converter
POL
LDO
Converter
POL
niPOL
Converter
LDO
Converter
niPOL
Converter
POL
POL
Converter
DC bus regolato
#2
POL
POL
POL
POL
48Vdc±5%
Convertitori POL ad elevato
rapporto di trasformazione
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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29
Architetture di distribuzione
3
CRATE
Card #3
LDO Card
Converter
LDO Card #1
POL
Converter LDO
280 Vdc
niPOL
ConverterLDO
Main
DC/DC
Converter
Converter
POL
LDO
Converter
POL
niPOL
Converter
LDO
Converter
niPOL
Converter
POL
POL
Converter
DC bus regolato
#2
POL
POL
POL
POL
12Vdc±5%
PoL = Point Of Load
IB = Intermediate Bus
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
30
Problemi critici
•
•
Immunità elettromagnetica dell’elettronica di front-end
Scelta dei livelli delle tensioni intermedie
– Quante e quali tensioni?
•
Sistema con approccio modulare
– Ridondanza n+1 /, tolleranza al “guasto singolo”
•
Ottimizzazione tra numero dei moduli e potenza di sovradimensionamento
–
Water cooled
2 x 3KW o 3 x 1.5KW o 4 x 1KW
– Riduzione delle perdite e loro distribuzione nel “crate”(pro e contro)
– Soluzioni isolate multiuscita ad elevata frequenza di commutazione
– Topologie Risonanti/Transizione Risonante a frequenza fissa
•
Progetto delle parti magnetiche
– Scelta della potenza nominale e del livello delle tensioni IN/OUT
– Tipo di forma d’onda (quadra o sinusoidale)
– Scelta di materiali magnetici capaci di operare ad elevati campi
stazionari (bassa m → ingombri).
High radiation & magnetic field tolerance
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
31
Prime verifiche
• Valutazione della tolleranza dei circuiti
dell’elettronica
di
front-end
alle
emissioni radiate e condotte prodotte da
convertitori a commutazione;
– Il Brookaven National Laboratory (LBN) ha
realizzato una serie di test utilizzando
convertitori niPOL commerciali
H. Chen - Brookhaven National Laboratory
F. Lanni - Brookhaven National Laboratory
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
32
Convertitori POL utilizzati
•
LTM4602 – 6A High Efficiency DC/DC
μModule
•
•
•
•
•
•
•
•
Complete Switch Mode Power Supply
Wide Input Voltage Range: 4.5V to 20V
6A DC, 8A Peak Output Current
0.6V to 5V Output Voltage
1.5% Output Voltage Regulation
Up to 92% Efficiency
Output Over Voltage Protection
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IR3841 – Integrated 8A Synchronous
Buck Regulator
•
•
•
•
•
•
Greater than 96% Maximum Efficiency
Wide Input Voltage Range: 1.5V to 16V
Wide Output Voltage Range: 0.7V to
0.9*Vin
Continuous 8A Load Capability
Programmable Switching Frequency up
to 1.5MHz
Programmable Over Current Protection
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
33
Rumore Irradiato: Posizioni di Test
• Esterno FEC
POL
– Prossimità del
connettore
POL
• Interno FEC
FEB
POL
– Vicinanza al
preamplificatore
• Sinistra e Destra
POL
– Prossimità del
connettore
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
34
Rumore Irradiato: all’esterno FEC
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
35
Rumore Irradiato: all’interno FEC
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
36
Rumore Irradiato: schermatura
•
Involucro di alluminio di 30 mils (1mils=0.0254mm) -> 0.762mm
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
37
Rumore Condotto
• Sistema di alimentazione standard
– La tensione +4V alimenta 5 regolatori sulla FEB
•
•
•
•
•
Pre-amplificatore: +3V output
SCA +3.3V left analog
SCA +3.3V left digital
SCA +3.3V right analog
SCA +3.3V right digital
SCA: Switch Capacitor Array
• Condizioni di misura
– l’ingresso +4V viene disconnesso dalla LVPS
– i 5 regolatori LDO vengono cortocircuitati IN-OUT
– L’uscita a 3.3V del LTM4602 alimenta
direttamente i preamplificatori e SCAs
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
38
Rumore Condotto
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
39
Conclusioni dei primi TEST EMI
• Effetto del Rumore Irradiato prodotto da
Convertitori a commutazione di tipo POL
– Allesterno FEC: → trascurabile
– Allinterno FEC: → sensibile
– E’ necessaria una schermatura per raggiungere
buone performance di rumore all’interno FEC
• Rumore Condotto prodotto da Convertitori
a commutazione di tipo POL
– Effetto trascurabile
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
40
Selezione della topologia
• Ricerca di strutture che siano garanzia di elevata
efficienza e affidabilità di funzionamento in ambiente
ostile, con accuratezza, stabilità e prestazioni estreme:
1)
2)
3)
4)
capacità di reggere commutazioni di carico con limitate
oscillazioni della tensione di uscita ("settling time");
capacità di alimentare carichi a potenza costante con
caratteristiche di resistenza negativa;
capacità di rispettare, con strutture estremamente
compatte, i stringenti requisiti di tipo termico e di
suscettibilità e immunità ai disturbi elettromagnetici e alle
radiazioni;
ridondanza e tolleranza al singolo punto di vulnerabilità;
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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41
Convertitori Risonanti LLC
Pregi
Funzionamento ad alta frequenza
Elevata efficienza
Volume ridotto
Milano, 30 Novembre 2010
Difetti
Limitazione dinamica
Frequenza variabile
(Non indicato per configurazioni multi-uscita)
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
43
Convertitori Risonanti LCC
M1
L1
C1
Rload
M2
Cout
Cr
Pregi
Funzionamento ad alta frequenza
Elevata efficienza
Volume ridotto
Milano, 30 Novembre 2010
Difetti
Limitazione dinamica
Frequenza variabile
(Non indicato a configurazioni multi-uscita)
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
45
Convertitore a sfasamento Full bridge
Lf
M2
M1
Rload
Cf
L1
Vin
M3
M4
Pregi
Funzionamento ad alta frequenza
Commutazione a Frequenza fissa
Commutazioni “soft” basate sull’uso dei parassitismi
(induttanza dispersa del trasformatore)
Milano, 30 Novembre 2010
Difetti
Limitazioni dinamica sui transitori di
ampio segnale
(Non indicato a configurazioni multi-uscita)
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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48
Confronto fra le topologie
Po=1.2KW
Vin=370V-410V
Vout=12V
Iout=100A
Teng Liu, Ziying Zhou, Aiming Xiong, John Zeng and Jianping Ying
A Novel Precise Design Method for LLC Series Resonant Converter
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
49
Convertitore Dual phase-shift
M5
Cout1
Rload1
M2
M1
M6
L1
Vin
M3
M4
Pregi
Elevata frequenza di funzionamento
Frequenza fissa di commutazione
Dinamica a polo dominante
(Indicata per configurazioni multiuscita)
Adatta per uscite parallele
Commutazioni “soft” basate sull’uso dei parassitismi
Cout2
Rload2
Difetti
Elevato numero dei componenti attivi
(induttanza dispersa del trasformatore)
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
50
Switch in Line Converter (SILC)
Pregi
Elevata frequenza di funzionamento
Frequenza fissa di commutazione
Commutazioni “soft” basate sull’uso dei parassitismi
(elevata induttanza dispersa del trasformatore)
Dinamica a singolo polo
Difetti
Adatta per configurazione con uscite parallelateElevati valori di correnti
(Indicata per configurazione multiuscita)
Elevato numero di condensatori di grande capacità
Ridotta tensione drain-source MOS
Possibilità di uso di una retroazione non isolata
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
51
Funzionamento della topologia SILC
AUX
4
Vin -2 Vo
13
6
T1'
L
IL
S4
3
12
+
2
2Vo
11
IT1
5
0
R
02
D2
Cp2
D2
C
R
01
+12V
790W
Ts
12
S3
Vin
400V
800W
C01
Cp3
D3
C
D1
Ts
11
D4
C
-
Cp4
D3
D4
C02
-12V
10W
S2
1
T1
Cp1
D1
C
10
S1
0
IL
t
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
52
Relazioni allo stazionario
Considerando l’ipotesi
di una singola uscita
equivalente e η=1
V0Q Vin Q
Pout = VO × I O = Pin =
=
T
4T
æT
ö VinTj
Q = 2 I L ,max ç - Tj ÷ =
L
è2
ø
Vin2Tj æ T
ö VinTj
IO =
ç - Tj ÷ =
4 LTVO è 2
ø LT
Vin2Tj æ T
ö
PO =
ç - Tj ÷
4 LT è 2
ø
ö
æT
T
ç
j÷
ø
è2
Intervallo di controllo
0<Tj<T/4
Milano, 30 Novembre 2010
æT
ö
ç - Tj ÷
è2
ø
Io
VoT
4L
0
T/4
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
Tj
T/2
53
Composizione del sistema modulare
- Convertitore Principale (ex- LVPS) Alimentatore è composto da 3 moduli da 1.5 kW in
parallelo:
Ingresso 280 V
Uscita 12V
Le attività di supervisione, controllo e gestione delle
protezioni sono demandate ad un modulo esterno:
• Current Sharing
• Controllo start-up/failure
• Clock, Sfasamenti, Allarmi
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
59
Schema del singolo modulo (1.5 KW)
Dual-threshold current controller
per la precarica dei condensatori
Generazione delle alimentazioni ausiliarie e la protezione dai sovraccarichi
per lo start-up e under voltage protection
Convertitore 1.5 kW
topologia SILC
280VDC
CIRCUITERIA
DI
START-UP
MAIN SWITCH
LIMITATORE
DI CORRENTE
1500W @ +12V
CONVERTITORE
SILC
CONTROL
DRIVE
CIRCUIT
CONTROL
DRIVE
CIRCUIT
Input voltage
280 V
Output voltage (main)
12 V
+12V ISOLATI
CONVERTITORE
AUSILIARIO
Maximum supplied power (main) 1.5 kW
Generazione delle tensioni
di servizio
Milano, 30 Novembre 2010
Switching frequency (main)
100 kHz
Output voltage (aux)
V1,V2,V3=12 V
V4=5 V
Maximum supplied power (aux)
20 W
Switching frequency (aux)
200 kHz
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
60
Collaborazione industriale
• Le fasi di ottimizzazione del progetto e
realizzazione del dimostratore sono
state svolte in collaborazione con i
laboratori
Via Vetraia, 11
55049 Viareggio (LU) - Italy
– Si ringraziano gli ingg. S. Selmi, C.Raffo e
S. Petrucci
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Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
66
Progetto del trasformatore di potenza
Trasformatore con due primari e un secondario
a bassa tensione (5:5:1)
à struttura tradizionale
à struttura planare
X
Suddivisione in 4 “sottotrasformatori”
Ogni sotto-trasformatore è costituito da 10 spire per ogni
avvolgimento primario e 2 spire del secondario a presa centrale.
I secondari sono realizzati con connessione in parallelo di 2
avvolgimenti per ridurre l’induttanza dispersa.
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
67
Struttura di ogni “sottotrasformatore”
Gli avvolgimenti delle 4 strutture sono stati realizzati con un PCB multistrato a 22 layer
Il circuito di primario è costituito da 10 spire quello di secondario da 2
4 strati
4.71mm
22 strati
10 strati
Strati di conduzione termica
2 spire concentriche
per lo smaltimento del calore
per ogni strato
4 strati
UL94V-0
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
69
Prototipo del trasformatore planare
120
85
43
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
73
Layout del circuito
• La realizzazione del dimostratore è stata suddivisa
su 8 PCB:
– Le parti di potenza sono state realizzate su supporto
IMS (Insulated Metal Substrate)
– Le parti di controllo e i circuiti ausiliari su supporto FR4
Ceramic
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
74
Layout del circuito
Convertitore Ausiliario
a) Sezione di uscita, b) Sezione di ingresso e controllo
c) Circuito di undervoltage lockout
a)
b)
c)
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
75
Layout del circuito
Sezione di potenza in ingresso (MOSFET + driver - Condensatori)
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
76
Layout del circuito
Sezione di Uscita (Condensatori, Controllo Termico)
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
77
Layout e contenitore meccanico
Il layout complessivo del circuito è
stato ottimizzato in modo da:
ü ridurre gli ingombri fisici
Ø
150 mm x 285 mm x 402 mm
ü razionalizzare
spazio
Ø
l’utilizzo
dello
permettere l’alloggiamento di 3
moduli e del sistema di
dissipazione
ü garantire
la
dissipazione termica
migliore
La disposizione dei componenti è stata
suggerita da stime delle perdite dei principali
componenti attivi a varie frazioni del carico.
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
78
Viste del modulo
315
130
Milano, 30 Novembre 2010
60
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
82
Verifica sperimentale
1
0.95
0.9
0.85
Efficiency
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
200
Funzionamento open loop:
Ch1) comandi gate-source dei lower MOS,
Ch2) corrente di induttore,
Ch3) tensione drain-source di M1,
Ch4) tensione drain source di M3
Milano, 30 Novembre 2010
400
600
800
1000
Output Power [W]
1200
1400
1600
Rendimento del convertitore a varie
potenze di uscita
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
83
Potenza in uscita (Pout) – sfasamento (Tφ)
2500
Output Power [W]
2000
1500
1000
500
0
0
0.5
1
1.5
Time Delay [s]
2
2.5
-6
x 10
Confronto fra previsione teorica e dati sperimentali (puntini)
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
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84
Transitorio di accensione
Ch1) Tensione di uscita del convertitore ausiliario;
Ch2) Tensione di accensione;
Ch3) Tensione di ingresso;
Ch4) tensione gate-source dell’interruttore principale
Milano, 30 Novembre 2010
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
85
Comportamento dinamico del SILC
i in
o
vcontr
Gcontr
vin
AS vin
Yin
TC i out
i out
in
Ycontr
vcontr
Zout
é ¶V ù
é i ( jw ) ù
Z o ,ol ( jw ) = ê o ú
=ê o
ú
ë ¶I o û Vin ,Tjr =cos t ë v o ( jw ) û tj ,io =0
é ¶V ù
é v ( jw ) ù
o
Gcontr
( jw ) = ê o ú
=ê o
ú
T
t
¶
ëê j ûú Vin , I o =cos t êë j ûú vin ,io =0
tj
é ¶V ù
é v ( jw ) ù
AS ,ol ( jw ) = ê o ú
=ê o
ú
V
v
j
¶
(
w
)
ë in û I o ,Tjr =cos t ë in
û tj ,io =0
é ¶I ù
é i ( jw ) ù
TC ,ol ( jw ) = ê in ú
= ê in
ú
ë ¶I o û Vin ,Tjr = cos t ë io ( jw ) û tj ,vin = 0
Milano, 30 Novembre 2010
é ¶I ù
é i ( jw ) ù
in
Ycontr
( jw ) = ê in ú
= ê in
ú
êë ¶Tj úû Vin , I o = cos t êë t j úû vin ,io = 0
é ¶I ù
é i ( jw ) ù
Yin ,ol ( jw ) = ê in ú
= ê in
ú
ë ¶Vin û I o ,Tjr =cos t ë vin ( jw ) û tj ,io =0
Alimentazione di Potenza in Ambiente Ostile
- Marco Riva -
86
Suscettibilità della Gloop a diversi carichi
Bode Diagram
140
Magnitude (dB)
120
@250 W
@500 W
100
@750 W
@1 kW
80
@1.25 kW
@1.5 kW
60
0
Phase (deg)
-45
-90
-135
-180
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
Frequency (Hz)
Milano, 30 Novembre 2010
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89
Misure dinamiche Gloop
40
Magnitude [dB]
30
20
10
0
-10
-20
1
10
@350 W
@400 W
@450 W
2
10
3
10
4
10
5
10
50
Phase [deg]
0
-50
-100
-150
-200
1
10
2
10
3
10
Frequency [Hz]
4
10
5
10
Dipendenza della funzione Control to Output (Gloop) dal punto di lavoro
Milano, 30 Novembre 2010
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90
Misure dinamiche Gloop
40
Magnitude [dB]
20
0
-20
-40
-60
1
10
@255 V
@290 V
@270 V
2
10
3
10
4
10
5
10
250
200
Phase [deg]
150
100
50
0
-50
-100
-150
1
10
2
10
3
10
Frequency [Hz]
4
10
5
10
Dipendenza della funzione Control to Output (Gloop) dalla tensione di alimentazione
Milano, 30 Novembre 2010
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91
Comportamento a variazioni di carico
a)
b)
Comportamento dinamico a gradini di carico di 12A
(da 25 A a 37 A).
Ch3 tensione di uscita (accoppiamento in AC);
Ch4 variazione di carico.
Tensione di uscita Ch3, variazione di carico Ch1:
a) tensioni di ingresso 260V e b) tensione di uscita 280V
Milano, 30 Novembre 2010
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92
Attività future
• Test del trasformatore e del convertitore in
ambiente ostile:
– Campo magnetico
– Radiazioni Ionizzanti
• Realizzazione del “crate” completo per il
Convertitore Principale:
– 3 unità da 1500W
– Test di funzionamento:
• Affidabilità alle condizioni di guasto (2 unità ON)
• Verifica dell’efficacia del sistema di raffreddamento
(limiti di temperatura)
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93
