Walter ZAMBONI | Circuiti Elettronici di Potenza e Fonti Rinnovabili

Mission

Presso il laboratorio di circuiti elettronici di potenza e fonti rinnovabili, articolato in due sezioni, hardware e software, si svolgono attività di ricerca finalizzate allo sviluppo di:

• architetture di potenza, tecniche di controllo, metodi di progetto e soluzioni ottimizzate di circuiti elettronici di potenza ad elevata efficienza energetica per applicazioni nei campi fotovoltaico, LED lighting, automotive, battery management, celle a combustibile, sistemi micro eolici;
• software di progettazione, simulazione e diagnostica di circuiti elettronici di potenza, sistemi fotovoltaici e celle a combustibile.

Il laboratorio è da anni sede di consolidate collaborazioni con numerose industrie, fra cui Texas Instruments, National Semiconductor Corporation, STMicroelectronics, Magnetek, Coilcraft Inc., Elettronica Santerno, ROAL, Astrid, Power One, Bitron Industrie S.p.A., Whirlpool. Oltre alle attrezzature di calcolo per la simulazione e la progettazione, il laboratorio è dotato di attrezzature per la realizzazione di circuiti elettronici ed apparecchiature di misura di altissima qualità e precisione necessarie per i test sperimentali.

Attività

Ottimizzazione di convertitori switching ad elevata efficienza energetica per applicazioni fotovoltaiche, LED lighting, automotive, battery management

Le attività di ricerca svolte in tale ambito sono finalizzate alla individuazione di metodologie per la ricerca di soluzioni di progetto di convertitori switching realizzate mediante la selezione congiunta dei componenti di potenza, allo scopo di ottimizzare le prestazioni e le caratteristiche in termini di efficienza energetica, stress dei componenti e dimensioni, sia dei convertitori stessi che delle sorgenti e dei carichi cui essi sono asserviti nei relativi campi di applicazione.

Architetture di potenza e tecniche di controllo di convertitori dc-dc e dc-ac per il Maximum Power Point Tracking di sorgenti fotovoltaiche

Le attività di ricerca svolte in tale ambito sono finalizzate allo sviluppo di architetture di conversione con minimo numero di componenti e delle relative tecniche di controllo per l'inseguimento del punto di massima potenza di sorgenti fotovoltaiche, allo scopo di conseguire la massima efficienza energetica dalle sorgenti fotovoltaiche anche in presenza di condizioni di mismatch e di rapide variazioni del soleggiamento.

Progetto di componenti magnetici per convertitori switching isolati

Le attività di ricerca svolte in tale ambito sono finalizzate allo sviluppo di metodologie sistematiche per il progetto di componenti magnetici (induttori singoli e accoppiati, trasformatori) per applicazioni switching di potenza ad alta frequenza e a massima densità di potenza, allo scopo di agevolare la valutazione comparativa e la classificazione application-oriented di soluzioni di progetto alternative, in funzione del coordinamento fra stress e perdite dei dispositivi magnetici e dei dispositivi allo stato solido.

Modelli e tecniche per battery management

Le attività di ricerca svolte in tale ambito sono finalizzate allo sviluppo di modelli comportamentali e osservatori dello stato di batterie a ioni di Litio per la realizzazione di sistemi di conversione e relative tecniche di controllo dei flussi energetici, allo scopo di conseguire la minimizzazione della taglia e la massimizzazione della durata di vita delle batterie in applicazioni ad elevata efficienza energetica alimentate da fonti rinnovabili.

Modelli, tecniche di controllo e circuiti elettronici di potenza per le celle a combustibile

In tale ambito vengono svolte attività di ricerca che riguardano lo sviluppo di modelli di celle a combustibile di tipo Proton Exchange Membrane (PEM) ed il controllo di sistemi basati su tale tipo di tecnologia, mirato alla minimizzazione del consumo di idrogeno per una assegnata potenza elettrica ed alla salvaguardia dell'integrità della membrana nel corso del funzionamento. Viene altresì affrontato lo sviluppo di topologie e tecniche di controllo di convertitori dc/dc che siano in grado di interfacciare il Fuel cell System con carichi o con inverter connessi alla rete e, nel contempo, effettuare la diagnostica della cella mediante Electrochemical Impedance Spectroscopy.

Modelli e tecniche di simulazione e diagnostica di sistemi fotovoltaici

Le attività di ricerca svolte in tale ambito sono finalizzate allo sviluppo di modelli e algoritmi di calcolo e simulazione per la determinazione delle condizioni di funzionamento e della produttività energetica di sistemi fotovoltaici con controllo MPPT centralizzato e distribuito operanti in qualsiasi condizione di soleggiamento, allo scopo di individuare le architetture di potenza e la granularità del controllo MPPT distribuito in grado di garantire la massima convenienza in termini di rapporto fra produttività energetica e complessità del sistema.

Modelli e tecniche di controllo per la regolazione di circuiti elettronici di potenza in sistemi micro eolici

Le attività di ricerca svolte in tale ambito riguardano lo sviluppo di modelli e algoritmi per la caratterizzazione e al controllo di sistemi eolici di piccola potenza. L'obiettivo è quello di individuare la miglior configurazione topologia/strategia di controllo atta a massimizzare l'efficienza energetica della catena di conversione costituita dalla turbina eolica, dal generatore elettrico e dal circuito di conversione switching. Viene altresì affrontato lo sviluppo di tecniche di controllo universali, ovvero che abbiano la capacità di adattare in automatico il punto di lavoro del sistema eolico al funzionamento in modalità grid-connected, smart-grid e stand-alone.

Didattica

Il laboratorio ospita attività di esercitazione e progettuali degli studenti svolte nell'ambito dei corsi di:

• Circuiti Elettronici di Potenza per il Fotovoltaico;
• Circuiti Elettronici di Potenza;
• Circuiti Elettronici di Potenza II;
• Intelligenza Energetica.

Il laboratorio ospita attività di tesi e attività post-laurea per i laureandi e laureati in Ingegneria Elettronica e Ingegneria Informatica, e dottorandi di ricerca in Ingegneria dell'Informazione. Molte di tali attività prevedono la partecipazione da parte degli studenti a progetti di ricerca e sviluppo, anche di natura sperimentale, e sono supportate da borse di studio, assegni di ricerca e contratti di collaborazione finanziati dall'Università e da aziende. L'obiettivo delle attività svolte nel laboratorio è consentire ai laureati l'acquisizione di competenze di livello elevato nel settore della progettazione dei circuiti elettronici di potenza e favorire il loro inserimento con profilo di progettista o ricercatore presso aziende qualificate del settore dell'elettronica di potenza, sia in ambito nazionale che internazionale.

Strumentazione

La strumentazione disponibile in laboratorio è la seguente:

• Circuit Prototyping System T-Tech Quick Circuit 5000
• Digital Oscilloscope TEKTRONIX TDS754D, 4canali, 500MHz/2GS/s
• Digital Oscilloscope Agilent Technologies MSO 6034A, 4canali, 300MHz/2GS/s
• Electronic Load Sorensen SLM4 Mainframe + 4 modules 60V/60A
• LCZ Meter Keithley 333, 40Hz-100kHz
• Network Analyzer Advantest R3753BH 5Hz-500MHz
• Spectrum Analyzer Hewlett Packard HP8562A, 1kHz-22GHz
• EMC Analyzer Agilent Technologies E7402A, 9kHz-3GHz
• Spectrum Analyzer HP8562A 1kHz-22GHz
• Triple Power Supply TTi EX354RD, 300W, 2x35V/4A, 1x5V/5A
• Dual Power Supply Tektronix PS280, 30V/2A, 5V/3A
• Tektronix DPO3034 Digital Phosphor Oscilloscope, 300 MHz 4 Channels
• DC Power Supply TTI QPx1200L 1200 Watt PowerFlex - 60V, 50A max.
• Oscilloscope LeCroy WaveRunner 44xi 400 MHz 10Gs/s
• Single Power Supply Hewlett Packard HP6030A, 1000W, 200V/17A
• DC Power Supply DF1731SB, 0-30V/0-5A, DUAL OUT
• n.3 Multimeters FLUKE 8845A
• Multimeter Hewlett-Packard 34401A
• Function Generator DiGiMess FG100
• HP 33120A 15Mhz Function / Arbitrary Waveform Generator
• n.2 AC/DC Current Probe Tektronix TCPA300
• LISN EMCO 3810/2, 9kHz-30MHz
• Power Analyzer Yokogawa WT3000, Accuracy 0.02%
• PIC development board MikroElektronika EASYPIC6
• FPGA reconfigurable control & monitoring system NI CompactRIO
• MICROCHIP 16-BIT 28-PIN Starter Development Board
• MICROCHIP Explorer 16-BIT Development Board
• n.2 MICROCHIP MPLAB ICD3 In-Circuit Debugger
• Opal Kelly XEM 3010Xilinx Spartan-3 FPGA Integration Module
• Motor Control Development for TMS320F2808 eZdspTM with Socket
• C2000 Renewable Energy Developer's Kit TMDSENRGYKIT
• C2000 DC/DC Developer's Kit TMDSDCDC8KIT
• C2000 Digital Power Experimenter Kit TMDSDCDC2KIT
• DC/DC LED Developer's Kit TMDSDCDCLEDKIT
• Vector Network Analyzer BODE 100