Strategie di caratterizzazione e controllo degli aspetti termici dei dispositivi elettronici di potenza in ambito automotive
Settore scientifico disciplinare
ING-INF/01
Corso di studi
VEICOLI TERRESTRI E SISTEMI DI TRASPORTO
Relatori
Relatore Bagnoli, Paolo Emilio Relatore Prof. Roncella, Roberto
Parole chiave
AC voltage regulator
analytical thermal simulation
electrothermal simulation
hot spot
power electronics
Series regulator
thermal impedance analysis
thermoreflectance
Data inizio appello
12/06/2009
Consultabilità
Completa
Riassunto
L’attività di ricerca svolta nei tre anni del corso di dottorato si è articolata in due tematiche generali. La prima ha riguardato lo studio delle problematiche di natura termica di dispositivi e assemblaggi elettronici, mentre la seconda è consistita nella progettazione, simulazione, realizzazione e testing di sistemi di elettronica di potenza per la regolazione AC delle tensioni prodotte da generatori a magneti permanenti. Nell’ambito della prima tematica è stato sviluppato a livello teorico ed implementato tramite relativo software un nuovo codice per la simulazione termica in regime stazionario di dispositivi e sistemi di potenza. Tale codice, denominato DJOSER, si basa sulla risoluzione analitica diretta delle equazioni di trasporto del calore in un solido multistrato, ed è candidato a sostituire i più complessi ed onerosi programmi di calcolo agli elementi finiti a parità di accuratezza. Come ulteriore attività connessa a questo tema vanno inclusi sia l’attività di validazione teorica (confronto con gli elementi finiti) e sperimentale (verifica dei risultati mediante tecniche di misura della temperatura per via elettrica e termografica), sia le numerose applicazioni su sistemi reali suggeriti dal rapporto con industrie del settore. In ultimo la tecnica di simulazione termica è stata applicata con successo, in congiunzione con un risolutore elettrico dedicato, ad uno studio sul comportamento elettrotermico di transistori cellulari bipolari, evidenziando in particolare il fenomeno dell’Hot-Spot e consentendo di proporre delle efficaci contromisure. Sempre nell’ambito della prima tematica generale, durante i tre anni di dottorato è stato allestito un sistema di misura dinamica della temperatura di dispositivi elettronici con il metodo ottico ‘senza-contatto’ della termoriflessione, che sfrutta la dipendenza dalla temperatura del coefficiente di riflessione di semiconduttori e metalli. Con l’apparato di misura allestito e l’elettronica di controllo progettata, sono stati rilevati dei transitorî su campioni opportunamente costruiti, sui quali è stato possibile misurare la resistenza termica con risoluzione spaziale con il metodo TRAIT, il cui valore è stato confermato da una analisi della struttura effettuata con il programma DJOSER. Nell’ambito della ricerca sui sistemi di elettronica di potenza, è stato progettato e realizzato in duplice versione un nuovo tipo di regolatore AC da applicare a generatori a magneti permanenti, specifico per motoveicoli senza batteria e per i sistemi per la produzione eolica dell'energia di piccola taglia. L’aspetto innovativo del progetto in questione è il tipo di regolazione, serie anziché parallelo (gli interruttori sono posti in serie al generatore), il che evita la cortocircuitazione dell'alternatore con la conseguente erogazione di forti correnti e produzione di coppie frenanti. L’interruzione del circuito avviene solo in determinati istanti in cui la corrente nel carico si annulla, al fine di evitare spike di tensione. Il progetto è stato realizzato e testato sperimentalmente su un alternatore, in una prima versione con la parte di controllo realizzata in elettronica analogica con componenti discreti e integrati, e in una seconda in cui la gestione del controllo è stata totalmente demandata da un microcontrollore. Il progetto è stato oggetto di un brevetto in ambito italiano ed è attualmente in attesa di approvazione come brevetto internazionale (PCT).