APOLLO: Alimentatori di
Potenza per aLti Livelli di
radiaziOne
Presentatore: prof. Giorgio Spiazzi
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
INFN – Padova
1
Gruppi coinvolti
• INFN Padova:
• Paccagnella alessandro (responsabile) – 40%
• Gerardin Simone (ric/prof università) – <100%
• Tenti Paolo (ric/prof università) – 100%
• Spiazzi Giorgio (ric/prof università) – 100%
• Costabeber Alessandro (dottorando) – 100%
• Sichirollo Francesco (dottorando) – 100%
• Stellini Marco (tecnico) – 100%
INFN – Padova
2
Gruppi coinvolti
• INFN Roma:
• Beccaro Stefania (responsabile) – 50%
• Iannuzzo Francesco (ric/prof università) – 100%
• Sanseverino Annunziata (ric/prof università) – 100%
• INFN Milano:
• Riva Marco (responsabile) – 70%
• Citterio Mauro (INFN) – 20%
• Maranesi Piergiuseppe (ric/prof università) – 100%
• Della Giustina Davide (dottorando) – 100%
• Belloni Federico (assegnista) – 100%
• INFN Pavia:
• Lanza Agostino (responsabile locale e nazionale) – 40%
• Cova Paolo (ric/prof università) – 100%
• Menozzi Roberto (ric/prof università) – 100%
• Bernardoni Mirko (dottorando) – 100%
INFN – Padova
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Motivazioni
• I sistemi di alimentazione per rivelatori a maggior
consumo di corrente, quali calorimetri e muoni,
richiedono l’installazioni di alimentatori dedicati
all’interno della caverna sperimentale, ad una distanza
compatibile con le specifiche di alta efficienza totale
dei sistemi.
• Lo sviluppo di alimentatori in grado di operare in
ambiente “ostile” richiede tempi lunghi tra fase di
progetto e reale disponibilità sul campo (circa 10 anni).
• I sistemi di alimentazione attualmente installati sono
qualificati per un’operatività di 10 anni di esposizione ai
livelli di radiazione simulati: dovranno essere sostituiti
per il run successivo all’upgrade ad una maggiore
luminosità di LHC prevista per il decennio 2020-2030.
INFN – Padova
4
Motivazioni
• L’aumento dei carichi previsti dall’upgrade di LHC
richiede un “ripensamento” dei sistemi di alimentazione
volto ad aumentarne l’efficienza ed a ridurne l’ingombro
Esempio: alimentatore calorimetri attuale
INFN – Padova
5
Motivazioni
Esempio: alimentatore calorimetri attuale
INFN – Padova
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Obiettivi
• Definizione delle specifiche dettagliate di
sistemi di alimentazione di bassa tensione
utilizzabili dai calorimetri Lar e dai rivelatori di
muoni di ATLAS per l’upgrade a luminosità di 46 x 1034 cm-2s-1, 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
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Linee di sviluppo - 1
• Studio e scelta dei dispositivi semiconduttori
critici da implementare nei sistemi, partendo dai
risultati ottenuti con il PRIN 2007 e utilizzando
anche nuove tecnologie che stanno emergendo,
come i GaN.
• Studio e caratterizzazione di induttori ad alta
frequenza di tipo coreless per i convertitori
secondari.
• Progettazione, costruzione e verifica funzionale
di un convertitore DC/DC primario isolato
alimentato a 280 Vdc.
INFN – Padova
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Linee di sviluppo - 2
• Progettazione, costruzione e verifica funzionale
di convertitori DC/DC secondari non isolati di
tipo POL, sia coreless/inductorless che
tradizionali.
• Sviluppo di strutture dissipative per i suddetti
convertitori e caratterizzazione delle
prestazioni termiche dei convertitori primari e
secondari.
• Caratterizzazione della compatibilita’
elettromagnetica e del rumore coerente dei
prototipi realizzati.
INFN – Padova
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Alimentazioni distribuite
Regulated DC
bus voltage
Intermediate
bus voltage
POL
48V10%
280 VDC
12V10%
DC
POL
DC/DC
POL
IBC
POL
IBC
POL
POL
Unregulated
Intermediate Bus
Converter
INFN – Padova
POL = Point Of Load converter
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Alimentazioni distribuite
Regulated DC
bus voltage
POL
12V5%
280 VDC
DC
POL
POL
DC/DC
POL
POL
Isolated Main
Converter
INFN – Padova
POL
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Alimentazioni distribuite
Regulated DC
bus voltage
POL
48V5%
280 VDC
DC
POL
POL
DC/DC
POL
POL
Isolated Main
Converter
INFN – Padova
POL
High step-down ratio
POL Converters
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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
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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:
4. minimi volume e massa;
5. elevata efficienza per la limitazione della dissipazione
termica e, in generale, elevato controllo del sistema
termico;
6. basso livello di interferenza elettromagnetica
prodotta;
7. elevata affidabilità.
INFN – Padova
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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
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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. Valutazione degli effetti cumulativi dovuti alla
radiazione ionizzante (dose totale e danno da
displacement);
2. Test di MOSFET di potenza in diverse condizioni di
lavoro;
3. Analisi delle possibili interazioni tra i fenomeni di
dose totale e quelli di evento singolo
4. Test di dispositivi di potenza GaN HEMT
5. Test sul convertitore completo
INFN – Padova
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Richiesta finanziaria
Capitolo
2011
2013
€ 12,000.00
Generatore di forme d'onda arbitrarie
€ 7,000.00
Carico attivo per test dinamico di convertitori point of load
Inventariabile
2012
€ 12,000.00
Camera termica
Sonde di corrente
€ 3,000.00
Accessori per test EMC
€ 3,000.00
Componentistica per realizzazione prototipi e irraggiamento
€ 7,000.00
€ 8,000.00
€ 3,000.00
Realizzazione PCB multistrato
€ 3,000.00
€ 5,000.00
€ 5,000.00
€ 4,000.00
€ 5,000.00
Realizzazione PCB con tecnologia IMS
Materiale di consumo
€ 1,000.00
Componenti di potenza GaN
€ 2,000.00
Realizzazione banco di misura per disturbi condotti
Realizzazione circuiti di test per irraggiamento componenti
€ 5,000.00
€ 5,000.00
€ 2,000.00
Riunioni di collaborazione
€ 6,000.00
€ 6,000.00
€ 6,000.00
Partecipazione ad irraggiamenti (2+2+2 settimane)
€ 2,000.00
€ 2,000.00
€ 2,000.00
Partecipazione a conferenze
€ 3,000.00
€ 3,000.00
€ 3,000.00
Missioni interne
Missioni esterne
€ 2,000.00
Part. a irraggiamenti (Uppsala e/o CERN, 2 settimane)
Licenze software
€ 3,000.00
PLECS (simulazione)
Assistenza informatica e
manutenzione software
€ 54,000.00
Totale per anno:
INFN – Padova
Totale:
€ 1,000.00
€ 1,000.00
€ 47,000.00
€ 31,000.00
€ 132,000.00
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Richiesta servizi di sezione
Attività principali:
1. Realizzazione di circuiti stampati.
2. Realizzazione di circuiti di test per l’irraggiamento
di sistemi e componenti.
Servizio elettronico
Servizio meccanico
INFN – Padova
2011
1 mese/uomo
1 settimana/uomo
2012
1 mese/uomo
2 settimane/uomo
2013
2 mesi/uomo
2 settimane/uomo
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