ELECTRONIC POWER CONVERTERS

Il corso fornisce un’introduzione ai circuiti elettronici di potenza e ai dispositivi elettronici di potenza maggiormente utilizzati per la conversione dell'energia elettrica.

Conoscenza e comprensione

Conoscenza del funzionamento e dell’ambito di applicazione di raddrizzatori, convertitori dc-dc con e senza isolamento, ed inverter.

Conoscenza delle caratteristiche, del funzionamento, dei vantaggi e dei limiti di differenti dispositivi elettronici di potenza (diodo, BJT, MOSFET, IGBT). Conoscenza delle nuove tecnologie (SiC e GaN).

Conoscenza di base dei problemi legati ai componenti passivi, allo smaltimento del calore e al controllo.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente saprà analizzare il comportamento dei convertitori elettronici di potenza al variare dei parametri, dei componenti e del controllo. Lo studente saprà analizzare il comportamento dei dispositivi anche tenendo conto dei componenti parassiti presenti nei convertitori e negli stessi dispositivi. Lo studente saprà utilizzare simulatori circuitali e comprendere i modelli circuitali dei dispositivi.

Autonomia di giudizio

Lo studente saprà scegliere sia le topologie e le tecniche di controllo dei convertitori sia i dispositivi che sono più adeguati nelle principali applicazioni in ambienti industriali, commerciali e domestici; in ambito trazione elettrica e nelle reti elettriche.

Abilità comunicative

Lo studente apprenderà il linguaggio tecnico dell’elettronica di potenza. Il corso prevede dei seminari che permettono l’interazione tra gli studenti ed esperti appartenenti all’ambito industriale e accademico.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà i fondamenti necessari alla comprensione del funzionamento di convertitori e dispositivi di potenza non trattati nel corso. Tale capacità sarà affinata tramite la partecipazione a seminari la cui comprensione necessita la conoscenza e la comprensione degli argomenti trattati nel corso.

Conoscenza delle leggi di Kirchhoff e delle equazioni di lato. Conoscenza del funzionamento delle reti in regime sinusoidale. Conoscenza dei sistemi trifase. 

Conoscenza delle nozioni di base della fisica dei semiconduttori e della struttura e modellazione dei principali dispositivi elettronici (diodi, BJT e MOSFET).

Introduzione

Introduzione ai sistemi basati sull'Elettronica di Potenza. Vantaggi e applicazioni. Classificazione dei dispositivi.
Regime sinusoidale e regime periodico. Serie di Fourier. Distorsione della corrente di linea.
Legge di Hopkinson. Induttore. Modello circuitale trasformatore non ideale.

Convertitori ac-dc

Raddrizzatore monofase: circuito ideale, effetti dell'induttanza in ingresso, distorsione della tensione al PCC. Raddrizzatore duplicatore di tensione. Effetti dei raddrizzatori monofasi sulla corrente che attraversa il neutro dei sistemi trifase. Raddrizzatore trifase: circuito ideale; effetti delle induttanze in ingresso. Cenni sui raddrizzatori controllati.

Convertitori dc-dc senza isolamento

Introduzione ai convertitori dc-dc. Convertitori Buck, Boost e Buck-Boost. Convertitori dc-dc a ponte: PWM con commutazione di tensione bipolare e unipolare. Cenni sui convertitori dc-dc sincroni e bidirezionali.

Convertitori dc-ac 

Introduzione all’inverter e ai convertitori bidirezionali. Inverter a mezzo ponte. Inverter a ponte: PWM con commutazione di tensione bipolare e unipolare; controllo ad onda quadra. Inverter a cancellazione di tensione. Push-Pull inverter. Inverter trifase: controllo PWM e ad onda quadra. Ripple in ingresso e in uscita all’inverter monofase e trifase. Effetto del tempo morto. Convertitori con eliminazione programmata di armonica. Convertitori a modulazione di corrente.

Convertitori dc-dc con isolamento

Introduzione ai convertitori dc-dc con isolamento. Convertitori Flyback e Forward. Convertitore dc-dc Push-pull. Convertitori dc-dc con isolamento a mezzo ponte e a ponte.

Fisica dei semiconduttori

Richiami dei concetti base di fisica dei semiconduttori. La giunzione p-n. Principali trade-off nei dispositivi di potenza.

Diodo di potenza

Struttura e caratteristica. Modulazione di resistività. Perdite. Tensione di breakdown. Commutazione del diodo: circuito di commutazione induttivo con diodo di clamp. Diodo Schottky.

BJT di potenza

Struttura e caratteristica. Guadagno di corrente e configurazione Darlington. Modulazione di resistività: regione di quasi-saturazione e regione di piena-saturazione. Perdite. Meccanismi di breakdown: effetto valanga e deriva termica. Commutazione del BJT: circuito di commutazione induttivo con diodo di clamp. SOA.

MOSFET di potenza

Cenni sul JFET. Struttura e caratteristica del MOSFET. Tensione di soglia. Tensione di breakdown. Perdite. Commutazione del MOSFET: circuito di commutazione induttivo con diodo di clamp. Impatto dei componenti parassiti sulle forme d'onda in commutazione: problemi di breakdown e corto circuito. BJT parassita. SOA.

IGBT 

Struttura e caratteristica. Perdite. Tensione di breakdown. Commutazione del BJT: circuito di commutazione induttivo con diodo di clamp. Latchup. SOA.

Posizionamento e trend degli interruttori di potenza a commutazione 

Principali strutture e caratteristiche dei dispositivi a componenti discreti e moduli. Campi di applicazione e trend di mercato dei dispositivi di potenza. Dispositivi di potenza a Carburo di Silicio e a Nitruro di Gallio.

Seminari di approfondimento

Durante il corso sono organizzati de seminari tenuti da esperti provenienti dall'industria e dal mondo accademico, volti ad approfondire argomenti specifici.

1) Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications, and Design". 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, November 2002.

2) B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”, Springer Science+Business Media, LLC, 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA, 2008.

L'esame consiste in una prova orale durante la quale verrà richiesto di discutere sia argomenti relativi ai convertitori sia ai dispositivi. Potrebbe essere posta una ulteriore domanda per la lode. La durata media della prova orale è di un’ora.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Per garantire pari opportunità e nel rispetto della normativa vigente, gli studenti interessati possono richiedere un colloquio personale al fine di programmare eventuali misure compensative e/o dispensative in base agli obiettivi formativi e alle specifiche esigenze. Gli studenti possono inoltre rivolgersi al docente referente del CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) interno al proprio dipartimento.