Insegnamento ELETTRONICA DI POTENZA
- Corso
- Ingegneria elettronica per l'internet-of-things
- Codice insegnamento
- A003187
- Curriculum
- Industrial iot
- Docente
- Federico Alimenti
- Docenti
-
- Federico Alimenti
- Luca Roselli (Codocenza)
- Ore
- 40 ore - Federico Alimenti
- 32 ore (Codocenza) - Luca Roselli
- CFU
- 9
- Regolamento
- Coorte 2022
- Erogato
- 2022/23
- Attività
- Caratterizzante
- Ambito
- Ingegneria elettronica
- Settore
- ING-INF/01
- Tipo insegnamento
- Obbligatorio (Required)
- Tipo attività
- Attività formativa monodisciplinare
- Lingua insegnamento
- ITALIANO
- Contenuti
- L’insegnamento tratta i principi di funzionamento e le basi progettuali dei circuiti elettronici di potenza. Viene illustrata l’applicazione di tali circuiti in sistemi complessi.
Dopo un’introduzione dedicata ai dispositivi di potenza (SCR, FET GaN, IGBT) sono descritti i circuiti di conversione dell’energia elettrica tra le sue due forme, nello specifico corrente alternata (AC) e corrente continua (DC): tale percorso costituisce il “fil rouge” dell’insegnamento.
In particolare sono presentati i seguenti circuiti di conversione: da AC a DC (rettificatori), da DC a DC (regolatori lineari e regolatori switching) e da AC ad AC (inverter e amplificatori di potenza).
I metodi d’insegnamento si basano su: modelli teorici, equazioni di base, tecniche di progettazione ed esempi al CAD. - Testi di riferimento
- R.W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Springer New York, NY (2001), ISBN 978-1-4757-0559-1.
N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins, “Power Electronics, Third Edition”, John Wiley & Sons (2003). - Obiettivi formativi
- In questo insegnamento vengono presentati i concetti fondamentali dell'elettronica di potenza quali: dispositivi di potenza, rettificatori e rettificatori controllati, moltiplicatori di tensione, regolatori lineari, regolatori switching, inverter e amplificatori di potenza.
Tutti gli argomenti sono trattati partendo dalla fisica e dalla teoria dei circuiti, con i seguenti obiettivi: conoscere i modelli teorici di base di dispositivi e circuiti di potenza, apprendere le tecniche di analisi circuitale e i metodi di progettazione.
CONOSCENZE
1) Conoscere le specifiche principali e i modelli di base di dispositivi di potenza (diodi e transistor) e apparati di dissipazione del calore
2) Conoscere le principali architetture dei circuiti di potenza.
3) Conoscere le tecniche di controllo e regolazione dei sistemi di potenza; sviluppare una visione d’insieme della materia.
ABILITA’
a) Saper identificare le specifiche e i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento dei circuiti elettronici di potenza.
b) Saper analizzare e progettare i principali building-block circuitali impiegati nei sistemi di conversione dell'energia elettrica.
c) Consolidare le abilità relative all'impiego dei software di simulazione circuitale, e saperli applicare a progetti realistici (CAD). - Prerequisiti
- Per comprendere e saper applicare le tecniche descritte nell'insegnamento è necessario aver sostenuto gli esami di elettronica della laurea triennale. Alcuni argomenti del programma richiedono la conoscenza delle serie e delle trasformate di Fourier e di Laplace, nonché abilità di analisi matematica. Tali prerequisiti sono indispensabili per lo studente che voglia seguire l'insegnamento con profitto.
Gli studenti autovalutano i prerequisiti mediante un test su unistudium. I docenti consigliano attività di ripasso personalizzate sulla base degli esiti del test. - Metodi didattici
- L'insegnamento si basa sui metodi didattici seguenti:
1) lezioni frontali (principi fisici, modelli teoria e metodi di progetto);
2) esercitazioni CAD (gli studenti otterranno una licenza annuale gratuita del software Keysight ADS da installare sui loro dispositivi; i docenti effettueranno sessioni CAD live, affrontando gli aspetti principali legati alla simulazione e alla progettazione di circuiti di potenza);
3) seminari con le principali industrie elettroniche del settore (ON-Semi, Infineon, Ampleon). - Altre informazioni
- La frequenza delle lezioni è raccomandata.
Sede: Dipartimento d'Ingegneria, via G. Duranti 93, Perugia. Aule delle lezioni in accordo con l’orario del corso di studi.
Ricevimento: mediante piattaforma Teams, previo appuntamento (email agli indirizzi istituzionali dei docenti). - Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame prevede una prova orale o l'esposizione di un elaborato tecnico e una prova orale ridotta.
La prova orale è una discussione di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e di comprensione raggiunto dallo studente relativamente ai contenuti teorici, metodologici e applicativi del programma. Saranno anche valutatela le capacità di comunicazione e la proprietà di linguaggio dell'allievo. Nello specifico l’orale consiste in 3 domande e nei conseguenti approfondimenti.
L'esposizione dell'elaborato tecnico si basa sulla discussione di un caso di studio proposto dal docente e tipicamente relativo alla progettazione di circuiti elettronici di potenza mediante CAD. L'elaborato tecnico può essere svolto singolarmente o in gruppi e sconta parte della prova orale (2 domande su 3). La discussione può avvalersi di una presentazione mediante slides (circa 10) e prevede la richiesta di approfondimenti teorici e chiarimenti di dettaglio da parte dei membri della commissione. Durante tale prova verranno valutate le conoscenze tecniche e la comprensione della materia da parte dell'allievo, nonché la capacità di applicare le competenze acquisite, di sviluppare soluzioni originali, la proprietà di linguaggio e di sintesi. - Programma esteso
- 1) DISPOSITIVI DI POTENZA. Diodi e transistor come interruttori; elementi parassiti: capacità off, resistenza on, induttanza package. Diodi controllati (SCR e TRIAC), regioni di funzionamento, modelli elementari, metodi di attuazione. FET GaN, specificità, regioni di funzionamento, modelli elementari. IGBT, specificità, regioni di funzionamento, modelli elementari. Maximum ratings, thermal budget, dissipatori. Retta (curva) di carico statica e dinamica. Relazione tra tensione di breakdown e frequenza di cut-off.
2) CONVERSIONE AC-DC.Rettificatori monofase e trifase. Rettificatori controllati con SCR e TRIAC. Moltiplicatori di tensione. H-bridges e cenni all'attuazione di motori DC. Regolazione mediante PWM.
3) CONVERSIONE DC-DC. Regolatori lineari: regolatori serie; regolatori shunt; controllo a feedback e stabilità; modelli e criteri di progetto; esempi. Regolatori switching: buck, step-down e step-up; modelli e criteri di progetto; esempi. Generazione di una tensione negativa da una positiva. Driver MOS di potenza per regolatori switching: low-side e high-side. Architetture di controllo, current sense, stabilità e relazione con il duty cycle. Rumore generato dalle commutazioni (cenni).
4) CONVERSIONE DC-AC. Inverter e amplificatori di potenza. Architetture base degli inverter: oscillatori e trasformatori, H-bridges e PWM. Architetture di base degli amplificatori di potenza: single-ended, transistor in parallelo, push-pull. Amplificatori con transistor impiegati come generatori di corrente non lineari: classi A, AB, B, C. Amplificatori con transistor impiegati come interruttori: classi D, E, F. Criteri di progetto: limiti del dispositivo, curva di carico dinamica, terminazione armonica, impedenza di carico ottima.
5) ESERCITAZIONI CAD. Impiego del simulatore ADS per modellare i circuiti di potenza. Problematiche alle simulazioni high dV/dt (elevato slew-rate). Effetti parassiti. Esempi di progettazione.