Nicola FEMIA | Progetti

MODELLISTICA ED APPLICAZIONI DI INDUTTORI DI POTENZA IN SATURAZIONE

Il Programma di Ricerca si propone di ottenere miglioramenti di prestazioni dell'elettronica di potenza per applicazioni militari e spaziali in termini di densità di potenza, grazie a metodi di intelligenza artificiale applicati al non linear problem solving dal livello di dispositivo al livello di sistema. Le principali fasi del Programma di Ricerca sono riassunte di seguito. Fase 1. Sviluppo di modelli comportamentali di perdita di natura sperimentale di dispositivi di potenza attraverso tecniche di evolutionary-computing e intelligenza artificiale. Il conseguimento della riduzione di peso dei componenti magnetici nei sistemi elettronici di potenza per applicazioni militari e spaziali richiede l'adozione di tecniche di modellazione innovative per le perdite, includendo il funzionamento in parziale saturazione, basate su algoritmi evolutivi genetici e differenziali e su tecniche di programmazione genetica, applicate a dati ottenuti da misure sperimentali. I miglioramenti attesi consistono nella identificazione di dispositivi semiconduttori che consentono la riduzione delle perdite e nell'identificazione e progettazione di dispositivi magnetici che consentono la riduzione del peso. Fase 2. Minimizzazione del volume di trasformatori ad alta frequenza per power supplies basata sull'ottimizzazione del materiale e della forma del nucleo magnetico e degli avvolgimenti orientata all'applicazione. I risultati di precedenti studi sulla riduzione di volume di trasformatori ad alta frequenza possono essere utilizzati per espandere l'indagine su una più ampia varietà di topologie, di livelli e intervalli operativi di tensione e correnti, includendo negli obiettivi il possibile sviluppo di nuclei dedicati, con fattori di forma speciali e specifici per applicazioni militari e spaziali. L'indagine deve necessariamente coprire una grande varietà di combinazioni di materiali e forme dei nuclei e di avvolgimenti, utilizzando tecniche di calcolo e ottimizzazione intelligente, comprese quelli di natura evolutiva da adottare per lo sviluppo dei modelli di perdita dei dispositivi magnetici di potenza relativi alla fase 1. Fase 3. Sfruttamento delle caratteristiche dei dispositivi a semiconduttore GaN e dispositivi magnetici in ferrite in funzionamento non convenzionale ad alto ripple di corrente, con parziale saturazione. I modelli di perdita e gli algoritmi per il progetto ottimo di dispositivi magnetici relativi alle fasi 1 e 2 sono funzionali alle indagini a livello di sistema finalizzate a sfruttare la combinazione di dispositivi GaN e induttori di potenza in funzionamento con parziale saturazione. La questione centrale in questa fase consiste nel garantire il raggiungimento di una elevata affidabilità. Ciò richiede lo sviluppo di algoritmi numerici per identificare soluzioni sostenibili in cui: - gli induttori di potenza sono progettati con il minimo volume nucleo e il minimo peso, grazie alla accettazione di un livello di saturazione alla corrente mediadi funzionamento fino a circa il 50% della induttanza nominale, portando al compromesso ottimale sostenibile tra volume, perdite e temperatura; - la frequenza di commutazione adottata e il conseguente ripple di corrente determinato dagli induttori parzialmente saturati consentono ai dispositivi GaN di operare in condizioni di perdita inferiori assicurando la minimizzazione delle perdite di potenza globale nel sistema. I risultati delle fasi da 1 a 3 porteranno allo sviluppo di uno strumento software generale che consente la valutazione comparativa, l'ottimizzazione e la qualificazione di dispositivi e sistemi per la progettazione dell'elettronica di potenza militare ed aerospaziale.