APOLLO: Alimentatori di
Potenza per aLti Livelli di
radiaziOne
Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
INFN – Padova
1
Gruppo Padova
• INFN Padova:
• Paccagnella Alessandro – 30%
• Spiazzi Giorgio (responsabile) – 70%
• Stellini Marco (tecnico) – 100%
INFN – Padova
2
Obiettivi
• Messa a punto di un dimostratore di un sistema
di alimentazione distribuita utilizzabili dai
calorimetri Lar e dai rivelatori di muoni di
ATLAS per l’upgrade a maggiore luminosità,
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
INFN – Padova
3
Alimentazioni distribuite
Regulated DC
bus voltage
POL
12V5%
280 VDC
DC
POL
POL
DC/DC
POL
POL
Isolated Main
Converter
INFN – Padova
POL
Step-down POL
Converters
6
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;
INFN – Padova
7
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 d’ingresso e
aumentare così la potenza distribuita;
3. Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di
tipo enhancement mode;
INFN – Padova
8
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. Test di dispositivi di potenza GaN HEMT
2. Test sul convertitore completo
INFN – Padova
9
Topologie per convertitori POL
+
ug
SH2
SH3
SL1
C
L
uo
-
Load
L
SH1
Interleaved Buck with
Voltage Divider
SL2
L
S1
SL3
S2
+
Uin
Multiphase Interleaved
Buck Converters
INFN – Padova
C1
UC1
-
L1
+
S4
Co
L2
Uo
R
-
S3
10
PoL con induttanze in ferrite
L1
fsw = 280 kHz
S4
S2
Co
Vin = 12 V
Vo = 2 V
Cin
L2 S3
Io = 20 A
Efficiency comparison
C1 S1
L = 7 cm, W = 3.5 cm
0.88
IBVD
0.84
Interleaved Buck with
Voltage Divider
0.8
Single Buck
0.76
0.72
INFN – Padova
1
1.5
2
2.5
Output current [A]
3
11
PoL con induttanze in aria
fsw = 1 MHz
Vout
Vin = 12 V
Vo = 2.5 V
Io = 3 A
Vin
L = 7 cm, W = 3,5 cm
Efficiency comparison
0.88
IBVD
0.84
Interleaved Buck with
Voltage Divider
0.8
Single Buck
0.76
0.72
1
INFN – Padova
1.5
2
2.5
Output current [A]
3
12
Circuito di test dinamico per MOSFET GaN
MOSFET GaN EPC
Con solder bumps
iL
L
+
CF
DRIVER
DUT
VCC
Bottom view
Rs
Io(t)
• Obiettivo:
– Misurare
contemporaneamente
tensione e corrente del
dispositivo negli intervalli
di commutazione su carico
induttivo
INFN – Padova
Raggi X del dispositivo
per la verifica della
qualità di saldatura
13
GaN: misure dinamiche
VDC = 20V, IDS = 10A, Vgate = 5V, Ton = 412 ms
VgS [1 V/div]
Turn off
-IDS [2 A/div]
VDS [4.2 V/div]
INFN – Padova
14
RDSon dinamica
-IDS [2 A/div]
RDSon [mW ]
130
VDS [21 mV/div]
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
INFN – Padova
50
100
150
200
Ton [ms]
250
300
350
400
15
Richieste finanziarie
Capitolo
Missioni interno
Descrizione
Riunioni di collaborazione
Partecipazione ad irraggiamenti
Totale miss. Int.
Consumo
Totale consumo
Totale
Componentistica per realizzazione prototipi e irraggiamento
Realizzazione pcb multistrato (*1)
Realizzazione pcb con tecnologia IMS (*2)
2013
€0
€ 6,000
€ 6,000
€ 5,000
€ 4,000
€ 5,000
€ 14,000
€ 20,000
(*1) Si vogliono realizzare prototipi di convertitori Point of Load impieganti
dispositivi GaN. La velocità di commutazione di tali dispositivi rende
fondamentale il controllo dei parassiti nella realizzazione del PCB, in
particolare, la minimizzazione dell'induttanza nel percorso di Gate.
(*2) I dispositivi GaN utilizzabili nei dimostratori hanno un package particolare
volto a minimizzare le induttanze in serie ai terminali di Gate, Source e Drain
ma non garantisce un efficace trasferimento di calore dalla giunzione interna
all'ambiente esterno. Per questo motivo è necessario esplorare l'utilizzo di PCB
in tecnologia IMS per un'efficace raffreddamento dei dispositivi.
INFN – Padova
16
Richieste servizi di sezione
Attività principali:
1. Saldatura componenti su PCB.
2. Realizzazione di circuiti di test per l’irraggiamento
di sistemi e componenti.
Servizio elettronico
Servizio meccanico
INFN – Padova
2013
1 mese/uomo
1 settimana/uomo
17