POWER ELECTRONICS

ING-IND/32 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

SANTI AGATINO RIZZO
Email: santi.rizzo@unict.it
Edificio / Indirizzo: DIEEI - Viale A. Doria 6. Building 3 - Floor 5 - Room 43
Telefono: 0957382308
Orario ricevimento: Lunedì e mercoledì dalle 11:00 alle 13:00


Obiettivi formativi

Conoscenza avanzata del funzionamento dei circuiti elettronici maggiormente utilizzati per la conversione dell'energia elettrica (ac-dc, dc-dc con e senza isolamento, dc-ac). Conoscenza delle principali applicazioni in ambienti industriali, commerciali e domestici; applicazioni nella trazione elettrica; applicazioni nelle reti elettriche; applicazioni emergenti: ricarica wireless.

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

Conoscenza dei componenti passivi e dei componenti parassiti nei convertitori. Conoscenza dei componenti e dispositivi parassiti nei dispositivi.

Conoscenza dei problemi legati allo smaltimento del calore e al controllo.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L’insegnamento viene svolto tramite lezioni di didattica frontale che potrebbero essere svolte di presenza o da remoto o in modalità mista.

Seminari di approfondimento tenuti da esperti appartenenti all’ambito industriale e accademico.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza.


Prerequisiti richiesti

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).



Frequenza lezioni

La frequenza delle lezioni di didattica frontale non è obbligatoria ma fortemente consigliata.

È obbligatoria la frequenza di almeno il 70% dei seminari.



Contenuti del corso

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

I seminari non sono oggetto d’esame. Nel seguente elenco sono riportati gli argomenti dei seminari tenuti in anni passati da esperti appartenenti all’ambito industriale e accademico. Tale elenco è a scopo esemplificativo, l’elenco effettivo verrà fornito agli studenti durante il corso dopo che sarà acquisita la disponibilità dei relatori.

- Correzione del fattore di potenza (PFC)
- Progettazione di un pre-regolatore Boost PFC TM
- Convertitori multilivello
- Convertitori risonanti
- Progettazione di un convertitore Flyback
- Progettazione del controllo dei convertitori
- Compatibilità elettromagnetica
- Dispositivi a Carburo di Silicio: applicazioni in ambito automotive e per l’energia sostenibile
- Dispositivi a Nitruro di Gallio: applicazioni e trend
- Dispositivi MOSFET a supergiunzione
- Affidabilità dei dispositivi di potenza



Testi di riferimento

Slide proiettate a lezione.

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.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1IntroduzioneSlide. Testo 1 capitoli da 1 a 3. 
2Convertitori ac-dcSlide. Testo 1 capitolo 5. 
3Convertitori dc-dc senza isolamentoSlide. Testo 1 capitolo 7. 
4Convertitori dc-acSlide. Testo 1 capitolo 8. 
5Convertitori dc-dc con isolamentoSlide. Testo 1 capitolo 10 
6Fisica dei semiconduttoriSlide. Testo 1 capitolo 19. Testo 2 capitolo 2. 
7Diodo di potenzaSlide. Testo 1 capitolo 20. Testo 2 capitoli 4 e 5. 
8BJT di potenzaSlide. Testo 1 capitolo 21. Testo 2 capitolo 7. 
9MOSFET di potenzaSlide. Testo 1 capitolo 22. Testo 2 capitolo 6. 
10IGBTSlide. Testo 1 capitolo 25. Testo 2 capitolo 9. 
11Posizionamento e trend degli interruttori di potenza a commutazioneSlide. 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

L'esame consiste in una prova orale durante la quale verrà richiesto di discutere un argomento relativo ai convertitori ed uno relativo 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.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

Raddrizzatori monofase: effetto dell’induttanza in ingresso nel caso in cui il carico è approssimato con un generatore di corrente
Convertitore Buck: funzionamento in modalità continua, discontinua e “di transizione”
PWM con commutazione di tensione unipolare in un inverter
Effetto del tempo morto
Convertitore Flyback
Commutazione del diodo di clamp in un circuito a carico induttivo
Meccanismi di breakdown nel BJT
Perdite in conduzione di strutture VD-MOSFET e U-MOSFET
Latchup statico e dinamico nell’IGBT




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