Indice generale
Introduzione...1
Capitolo I: DJOSER: sistema di caratterizzazione termica e di ausilio alla progettazione dei dispositivi elettronici di potenza...7
I.1 Introduzione alla simulazione termica...7
I.2 Implementazione del simulatore DJOSER...10
I.2.1 Fondamenti teorici...10
I.2.2 Formulazione Algebrica...20
I.3 Validazione teorica e sperimentale del software...26
I.3.1 Validazione teorica tramite simulazione di campioni virtuali...26
I.3.1.1 Struttura dei campioni virtuali e mappe termiche...26
I.3.1.2 Risultati delle simulazioni termiche...28
I.3.1.3 Confronto con la tecnica agli elementi finiti...32
I.3.2 Validazione sperimentale...35
I.3.2.1 Analisi termica di strutture multistrato reali...35
I.3.2.2 Analisi termica di circuiti industriali per l'elettronica di potenza. 40 I.4 Realizzazione di un sistema di simulazione elettrotermico basato sullo DJOSER per transistori di potenza a struttura cellulare...45
I.4.1 Contestualizzazione del problema studiato...45
I.4.2 Il dispositivo sotto esame...47
I.4.3 Procedura di simulazione...49
I.4.3.1 Risolutore termico...51
I.4.3.2 Risolutore elettrico...52
I.4.4 Risultati delle simulazioni...55
I.4.4.1 Caratterizzazione dell'Hot Spot...55
I.4.4.2 Influenza della resistenza termica del package...58
I.4.4.3 Influenza dei fattori geometrici: localizzazione del pad di emettitore...60
I.4.4.4 Effetti delle contromisure: la resistenza di ballast di emettitore...61
I.4.4.5 Effetti delle contromisure: l'heat spreader metallico superiore...62
I.5 Applicazioni e collaborazioni con l'industria...66
I.5.1 Caratterizzazione della conducibilità termica dello strato isolante in substrati IMS...66
I.5.1.1 Descrizione del tipo di analisi richiesta e dell'apparato di misura 66 I.5.1.2 Procedura di misura e ottenimento dei risultati...68
I.5.1.3 Elaborazione numerica dei transitori di temperatura col metodo TRAIT...71
I.5.2 Studio delle caratteristiche termiche di un sistema di illuminazione multi-LED su substrato IMS...72
I.5.3 Progettazione e caratterizzazione di un sensore multifunzione a film spesso per la misura di parametri in condutture idriche...74
I.5.4 Valutazione dell’assetto termico stazionario della piastra di pilotaggio di un carrello con alimentazione di pompa ...79
I.5.4.1 Layout del sistema e posizione dei dispositivi di potenza sulla piastra...79
I.5.4.2 Problema del contributo delle Thermal Vias...81
I.5.4.3 Problema della incertezza del fattore convettivo in aria ferma...82
I.5.4.4 Configurazioni di simulazione e nomenclatura delle prove...82
I.5.4.5 Modello DJOSER del sistema...83
I.5.4.6 Risultati delle prove di simulazione termica...85
I.5.4.7 Risultati sulla versione con substrato IMS (FR4 + Alluminio).. . .88
Capitolo II: Termoriflessione: caratterizzazione dinamica dei dispositivi elettronici tramite misura senza contatto dei transienti di temperatura...91
II.1 Introduzione alla termoriflessione e alla sua applicazione nel presente contesto...91
II.1.1 Fisica del fenomeno...92
II.2 Implementazione sperimentale...97
II.2.1 Descrizione funzionale del setup sperimentale...98
II.2.1.1 Piano ottico...98
II.2.1.2 Target...104
II.2.2 Descrizione del circuito di elaborazione analogica...106
II.2.2.1 Stadio a transimpedenza...106
II.2.2.2 Stadio intermedio...108
II.2.2.3 Stadio di demodulazione e di normalizzazione...109
Banda del sistema...112
Dipendenza della tensione di uscita da effetti parassiti della temperatura sui componenti...113
Circuito stampato...116
II.3 Misure sperimentali...118
II.3.1 Misure statiche e calibrazione...118
II.3.1.1 Ottenimento del coefficiente di termoriflessione...119
II.3.1.2 Ottenimento del coefficiente di conversione tensione-temperatura ...122
II.3.2 Misure dinamiche...124
II.3.2.1 Metodo TRAIT per l'elaborazione dei transitori e condizioni per la sua applicabilità...124
Flusso termico monodimensionale e dipendente dalla sola conduzione ...125
Pozzo termico a temperatura costante...125
Generazione del gradino di potenza...126
II.3.2.2 Elaborazione di un transitorio termico tramite il metodo TRAIT ...127
II.3.3 Confronto tra i risultati sperimentali e quelli teorici...129
II.3.4 Problematiche riscontrate e loro superamento...133
Capitolo III: Regolatore serie: metodo di controllo della generazione della potenza elettrica nei sistemi automotive...135
III.1 Introduzione generale all'argomento affrontato...135
III.1.1 Principi di funzionamento dei generatori a magneti permanenti...135
III.1.2 Esempi di applicazioni ...139
III.1.3 Prospetto dai vantaggi offerti dalla soluzione sviluppata nel brevetto ...139
III.2 Descrizione generale del sistema e cenni ai metodi di controllo...141
III.2.1 Struttura generale del sistema generatore-interruttore...141
III.2.2 Panoramica del sistema di controllo con cenni alla teoria dei controllori P.I.D...145
III.2.3 Descrizione del pilotaggio degli interruttori di potenza...150
III.2.4 Specifiche realizzative...151
III.3 Progettazione, dimensionamento e realizzazione di un prototipo in elettronica analogica...153
III.3.1 Metodo di applicazione del sistema di controllo alla soluzione analogica...153
III.3.2 Schemi a blocchi...155
III.3.3 Studio del blocco funzionale frequenzimetro-generatore di dente di sega...156
III.3.3.1 Architettura dei generatori di onde a dente di sega...156
III.3.3.2 Architettura del frequenzimetro...159
III.3.3.3 Architettura e analisi dei multivibratori monostabili...160
III.3.3.4 Dimensionamento del filtro di uscita del frequenzimetro...166
III.3.3.5 Misure sperimentali di caratterizzazione del frequenzimetro. .170 III.3.4 Convertitore RMS-DC ...171
III.3.5 Dimensionamento del controllore PID...172
III.3.6 Analisi del sistema con interruttori ideali...175
III.3.6.1 Modello circuitale utilizzato per la simulazione del sistema serie ...175
III.3.6.2 Risultati delle simulazioni del sistema serie: condizioni di lavoro stazionarie...179
III.3.6.3 Risultati delle simulazioni del sistema serie: tensione del generatore variabile. ...181
III.3.6.4 Risultati delle simulazioni del sistema serie: variazione dell'entità del carico. ...185
III.3.7 Confronto del sistema serie con lo stato dell'arte (sistema parallelo) ...187
III.3.8 Interruttori reali: driver e componenti di potenza...195
III.3.8.1 Componenti switching di potenza...195
III.3.8.2 Simulazioni del sistema con interruttori reali (non reazionato). ...204
III.3.9 Pilotaggio dei driver e simulazione degli interruttori reali...208
III.3.9.1 Dimensionamento degli impulsi di on/off. ...208
III.3.9.2 Stadi di generazione degli impulsi di off-up e off-down. ...210
III.3.10 Misure a media tensione effettuate su un montaggio provvisorio .214 III.3.11 Realizzazione del PCB e misure su alternatore...218
III.3.11.1 Finalità dell’implementazione su PCB...218
III.3.11.2 Progettazione assistita e scelta dei componenti...219
III.3.11.3 Criteri di piazzamento e routing dei componenti su PCB. ....220
III.3.11.4 Misure su alternatore...222
III.4 Progettazione, dimensionamento e realizzazione di un prototipo in elettronica digitale tramite microcontrollore...225
III.4.1 Aspettative della soluzione digitale e schema a blocchi corrispondente ...225
III.4.2 Dimensionamento del sistema digitale tramite simulazioni e scelta del microcontrollore...226
III.4.2.1 Simulazioni MATLAB...226
III.4.2.2 Considerazioni sulla scelta del microcontrollore più opportuno ...231 Frequenza di clock...231 Interruzioni...231 Comparatore analogico...232 ADC...232 Timer...232 III.4.3 Descrizione dell'hardware ed interfacciamento con il resto del circuito
...234
III.4.3.1 ATxmega128a1...234
III.4.3.2 ATSTK600...235
III.4.3.3 Utilizzo delle risorse...235
Zero Crossing...235
Lettore RMS...236
Frequenzimetro ...237
Controllore...237
III.4.3.4 Descrizione e dimensionamento della rete di adattamento...238
III.4.3.5 La soluzione ibrida...240
III.4.4 Scelta ed ottimizzazione del controllore numerico...242
III.4.5 Il firmware...250
III.4.5.1 Struttura del firmware...250
III.4.5.2 Strategie per aumentare le prestazioni ...252
III.4.5.3 Descrizione delle funzioni...254
III.4.6 Funzionamento del regolatore...259
Conclusioni...263
Bibliografia...267
Indice delle illustrazioni
Figura I.1: esempio di una tipica struttura piramidale multistrato asimmetrica composta da strati omogenei sovrapposti, comprensiva di strati sottili di saldatura o di incollaggio; T0 è la temperatura del pozzo termico, eventualmente non uniforme; Ta è la temperatura ambiente...11 Figura I.2: rappresentazione di un singolo strato: a) e b) mostrano la sezione e la pianta con l'indicazione delle condizioni al contorno; c) mostra la sezione coi termini noti () e le variabili incognite ( T, q )...13 Figura I.3: rappresentazione degli indici degli strati, delle coordinate e delle griglie utilizzate nella trattazione matematica...22 Figura I.4: rappresentazione di un sistema algebrico a quattro strati. I è la matrice identità; T.N. È il vettore colonna dei termini noti. Le sottomatrici bianche corrispondono a matrici nulle...25 Figura I.5: in alto: isole di generazione della potenza; in basso: sezione e pianta dei campioni virtuali D ed A...28 Figura I.6: confronto dei grafici di temperatura del Silicio e della plastica fra i campioni virtuali D ed A lungo gli assi X e Y mostrati in Figura I.5. I grafici sono stati calcolati con condizioni al contorno laterali adiabatiche...29 Figura I.7: campione D: dall'alto: mappa termica della superficie del Silicio; distribuzione di temperatura sulle superfici superiori di tutti i livelli lungo gli assi di simmetria x e y; mappa dei flussi sul Silicio...30 Figura I.8: grafici di temperatura per i campioni D ed A sulla sommità del Silicio (prima e seconda riga) e della plastica (terza e quarta riga) per diversi valori del coefficiente di scambio termico convettivo (hv) applicato a tutte le facce esposte (campione D) o solamente alle facce sud ed ovest (campione A). I grafici di sinistra sono calcolati lungo le sezioni X di figura Figura I.5; i grafici di destra lungo le sezioni Y...31 Figura I.9: vista laterale delle mesh tridimensionali generate dal simulatore agli elementi finiti per il campione D...33 Figura I.10: errore percentuale relativo delle simulazioni DJOSER rispetto alle
FEM lungo l'asse X per il campione D, per la sommità del Silicio (sopra) e della plastica (sotto), per condizioni adiabatiche e due diversi valori del coefficiente di scambio convettivo hv...34 Figura I.11: errore percentuale relativo delle simulazioni DJOSER rispetto alle FEM lungo l'asse X per il campione A, per la sommità del Silicio (sopra) e della plastica (sotto), per condizioni adiabatiche e due diversi valori del coefficiente di scambio convettivo hv...34 Figura I.12: fotografia dello strato superiore dei campioni utilizzati nelle prove.. .36 Figura I.13: a sinistra: fotografia del campione A1; a destra: fotografia del campione A2...36 Figura I.14: sezione e pianta dei campioni A1 e B1 utilizzati per le termografie. Il resistore di potenza è rappresentato dal rettangolo rosso al centro dello strato di Allumina...36 Figura I.15: sinistra: termografia dei dispositivi reali; centro: mappa termica simulata; destra: confronto fra profili di temperatura reali e simulati; la riga in alto è relativa al dispositivo A1, quella in basso a B1...39 Figura I.16: fotografia del regolatore di tensione MITSUBA Europe con ingrandimento dell'area oggetto delle misure e delle simulazioni...41 Figura I.17: in alto: termografia del regolatore di tensione; al centro: mappa termica simulata; in basso: confronto fra profilo misurato e simulato lungo l'asse.43 Figura I.18: fotografia di un dispositivo affetto da Hot Spot...46 Figura I.19: mappa termica simulata di un dispositivo affetto da Hot Spot...46 Figura I.20: pianta del dispositivo utilizzato nelle simulazioni, con evidenziate le singole celle dei transistori elementari e le metal di emettitore e base...47 Figura I.21: sezione del dispositivo utilizzato nelle simulazioni, con indicazione dei drogaggi e del posizionamento dei contatti di collettore, emettitore e base...48 Figura I.22: sezione del modello termico dell'assemblaggio senza (a) e con (b) l'heat spreader superiore in Rame...49 Figura I.23: strategia di risoluzione iterativa basata sull'interazione di un simulatore termico con un simulatore elettrico...50 Figura I.24: circuito equivalente ad una singola colonna di celle...52 Figura I.25: la resistenza di perdita Rpb di una generica colonna evidenziata in rosso...53 Figura I.26: le correnti che scorrono in ciascuna colonna si sommano nella metal orizzontale a comune causando una caduta di tensione aggiuntiva di cui bisogna tener conto con un fattore correttivo sulle resistenze di perdita Rep e Rbp...53 Figura I.27: guadagno in corrente del dispositivo in funzione della corrente di base, parametrizzato per temperature crescenti...54 Figura I.28: grafici della temperatura massima (a), della potenza elettrica (b) e della corrente di collettore (c) in funzione della corrente di base, parametrizzati per varie
tensioni di collettore Vc...56 Figura I.29: mappe termiche in scala di grigi calcolate prima (sopra) e dopo (sotto) l'HSO per tensione di collettore di 60V...57 Figura I.30: correlazione fra potenza elettrica (a), temperatura massima (c) e mappa di temperatura sull'area attiva in funzione della corrente di base crescente...57 Figura I.31: a): potenza di HSO in funzione della resistenza termica di contatto Rp per tensione di collettore pari a 60V; b): percorso di migrazione del sito di HSO per valori crescenti di Rp...58 Figura I.32: potenza di HSO in funzione dell'ascissa normalizzata del pad di emettitore, parametrizzata per valori crescenti della resistenza termica del package Rp...60 Figura I.33: nella cornice nera: resistenze di ballast di emettitore in polisilicio collocate all'inizio di ciascuna colonna di emettitore; nella cornice rossa è evidenziata una singola resistenza...61 Figura I.34: potenza di insorgenza dell'hot spot in funzione della resistenza di ballast, parametrizzata per diversi valori della resistenza termica di packaging...62 Figura I.35: potenza elettrica in funzione della corrente di base parametrizzata con lo spessore dell'heat spreader di Rame...63 Figura I.36: potenza di HSO e sua variazione percentuale in funzione dello spessore dell'heat spreader di Rame...64 Figura I.37: potenza di HSO e sua variazione percentuale in funzione della resistenza termica di contatto fra Silicio e Rame (Rc)...65 Figura I.38: vista zenitale del circuito integrato CH214 in package SO10Power saldato sul substrato IMS, senza lo strato plastico di ricopertura...66 Figura I.39: schema dell'apparato di misura del transitorio termico...67 Figura I.40: sezione del complesso pozzo termico + substrato sotto misura + dispositivo di misura utilizzato nella caratterizzazione dello strato di isolante del substrato medesimo...68 Figura I.41: transitorio di raffreddamento del dispositivo in °K in scala semilogaritmica per una dissipazione di potenza di 1W...68 Figura I.42: struttura del modello dispositivo+substrato utilizzato nelle simulazioni termiche...69 Figura I.43: risultati delle simulazioni: conducibilità dello strato di isolante (sfocate per ragioni di riservatezza) in funzione della resistenza termica globale della struttura...70 Figura I.44: contributo cumulativo alla resistenza termica totale di ciascuno degli otto dominii termici che è stato possibile identificare sulla struttura...71 Figura I.45: contributi di resistenza e capacità termica degli otto dominii termici identificati nella struttura...71 Figura I.46: A: struttura multipiramidale formata da un substrato e da sette LED di
potenza; B: LED di potenza prodotto da LUXEON; C: modello DJOSER utilizzato per le simulazioni termiche...72 Figura I.47: risultati delle simulazioni termiche della struttura di Figura I.46C: mappe di temperatura per la sommità dello strato semiconduttore di un LED (A) nel caso ki=1,4W/m°C; mappa di temperatura per la sommità dello strato isolante (B) nel caso ki=1,4W/m°C; distribuzione di temperatura sull'asse orizzontale mediano sulla sommità dello strato semiconduttore di un LED (C) per tre differenti valori della conducibilità termica dello strato di isolante. ...74 Figura I.48: layout del sensore multifunzione...75 Figura I.49: schema a blocchi del sistema di misura...76 Figura I.50: tipica curva di sensibilità del sistema: potenza elettrica necessaria a tenere costante il salto termico in funzione del flusso dell'acqua, parametrizzata per diversi salti termici imposti...77 Figura I.51: curva di sensibilità del sistema simulata con lo DJOSER: potenza elettrica necessaria a tenere costante il salto termico in funzione del coefficiente convettivo hv, parametrizzata per diversi salti termici imposti...77 Figura I.52: a): relazione trovata fra coefficiente convettivo e velocità del flusso; b): errore percentuale commesso nel fitting della curva a) ...78 Figura I.53: Layout della scheda di pilotaggio del carrello...79 Figura I.54: posizioni dei transistori di potenza all’interno della scheda...80 Figura I.55: a) Struttura multi-piramidale a più strati; b) Modello equivalente DJOSER...80 Figura I.56: Pad di saldatura dei transistori di potenza con la mappa delle thermal vias che attraversano la board di FR4 ...81 Figura I.57: posizione dei transistor accesi e del transistore sonda nelle varie configurazioni di simulazione adottate...82 Figura I.58: modello del dispositivo da solo. La resistenza termica del dispositivo è 0.45 °C/W...84 Figura I.59: sezione e pianta del sistema con inclusa la base di alluminio...84 Figura I.60: distribuzione di temperatura sulla superficie superiore del chip di silicio del transistor (File B4F)...85 Figura I.61: mappe termiche e distribuzioni orizzontali di temperatura per la superficie dello strato FR4 e per i file di simulazione B4F – D4F – E4F...86 Figura I.62: istogrammi delle temperature massime (riferite alla temperatura ambiente di 25 °C) sul silicio (sopra) e sulla superficie superiore dell’incapsulamento (sotto) per tutte le simulazioni effettuate per le configurazioni B, D ed E...87 Figura I.63: confronto delle temperature massime (caso dell’FR4 senza vias e per un fattore convettivo di 4 W/°C m2) per tutte e 5 le configurazioni esaminate...88 Figura I.64: sezione del sistema variante con substrato IMS...89
Figura I.65: confronto tra i profili di temperatura orizzontale ottenuti per la configurazione B4F rispettivamente con substrato FR4 normale (linea azzurra) e
substrato IMS (linea rossa)...90
Figura II.1: rappresentazioni dei raggi incidente, riflesso e rifratto all'interfaccia fra due mezzi...93
Figura II.2: andamento dei coefficienti di riflessione Rs ed Rp in funzione dell’angolo di incidenza...94
Figura II.3: schema a blocchi dell'apparato sperimentale...97
Figura II.4: strumentazione adottata per le sperimentazioni...98
Figura II.5: sezione e pianta del piano ottico...99
Figura II.6: rotazione della polarizzazione della luce incidente attraverso una lamina a λ/2...100
Figura II.7: beam splitter cube con indicazione dei raggi incidente, riflesso, trasmesso...102
Figura II.8: rotazione della polarizzazione attraverso una lamina a λ/4...103
Figura II.9: Riflessione totale attraverso il beam splitter cube...104
Figura II.10: fotografia dell'apparato sperimentale realizzato...105
Figura II.11: resistenza diffusa su allumina con strato superficiale di Alluminio ottenuto per evaporazione...105
Figura II.12: schema a tre stadi del circuito per l’elaborazione analogica del segnali ottici provenienti dai fotodiodi...106
Figura II.13: circuito equivalente di un fotodiodo reale (tratteggiato) connesso ad uno stadio di rivelazione a transimpedenza...107
Figura II.14: struttura interna dell'amplificatore per strumentazione INA111...108
Figura II.15: schema a blocchi dell’AD698, con LVDT di riferimento...110
Figura II.16: schema a blocchi funzionali dell'AD698...111
Figura II.17: ampiezza del ripple in uscita dall'AD698 in funzione del valore delle capacità di filtraggio...113
Figura II.18: termostatazione della scheda di elaborazione analogica...115
Figura II.19: layout del circuito stampato...116
Figura II.20: realizzazione finale del circuito stampato con indicazione dei componenti principali...117
Figura II.21: struttura utilizzata nelle prove sperimentali...118
Figura II.22: curva di calibrazione...123
Figura II.23: setup sperimentale utilizzato per soddisfare le condizioni richieste per l'applicazione del metodo TRAIT...124
Figura II.24: circuito per la generazione del gradino di potenza...126
Figura II.25: fotografia che illustra l'apparato di misura completo...126 Figura II.26: transitorio termico acquisito con relativo filtraggio e fitting TRAIT.
...128
Figura II.27: rete di Cauer rappresentativa della struttura in esame, coi valori dei parametri delle celle RC...128
Figura II.28: istogrammi di resistenza (sopra) e capacità termica (sotto) per ogni cella RC equivalente trovata...129
Figura II.29: istogrammi di resistenza termica (sopra) in corrispondenza colle temperature incrementali per ogni cella RC equivalente...129
Figura II.30: sezione e pianta del modello termico utilizzato nelle simulazioni.. .130
Figura II.31: distribuzione di potenza superficiale del modello...131
Figura II.32: distribuzione 2D e 3D di temperatura per lo strato superiore del modello...132
Figura II.33: distribuzione 2D e 3D di temperatura per lo strato inferiore del modello...132
Figura II.34: profili di temperatura per l'asse mediano orizzontale (in alto) e verticale (in basso), per gli strati superiore ed inferiore del modello...133
Figura III.1: struttura schematica di un generatore a magneti permanenti...136
Figura III.2: dettaglio della parte elettrica di un motore a due tempi, analoga a quella di generico veicolo a due ruote...137
Figura III.3: schema di principio di un sistema di regolazione parallelo della tensione su un carico automotive...138
Figura III.4: schema di principio del regolatore serie...140
Figura III.5: maglia equivalente del sistema nello stato di conduzione...141
Figura III.6: esempio di parzializzazione di una forma d’onda sinusoidale...142
Figura III.7: parzializzazione ottimale della forma d’onda sinusoidale...143
Figura III.8: andamento realistico della tensione sul carico Vload...144
Figura III.9: schema a blocchi semplificato con controllo ad anello chiuso del regolatore di tensione...145
Figura III.10: generico sistema di controllo ad anello chiuso utilizzato per l'esemplificazione di un sistema di controllo PID...147
Figura III.11: risposta al gradino unitario di un sistema controllato con un PID puramente proporzionale al crescere del fattore Kp...147
Figura III.12: risposta al gradino unitario di un sistema controllato con un PID proporzionale-integrativo per vari valori del parametro Ti...148
Figura III.13: risposta al gradino unitario di un sistema controllato con un PID proporzionale-derivativo per Td nullo e TD pari a 1 secondo...148
Figura III.14: schema di principio del circuito di pilotaggio dei transistori di potenza...151
Figura III.15: schematizzazione della famiglia di segnali che caratterizzano il metodo di controllo...154 Figura III.16: segnali salienti con istanti di accensione tup e tdown, rispettivamente
per la semionda positiva e negativa...154 Figura III.17: schema a blocchi del sistema completo per la realizzazione elettronica analogica. ...155 Figura III.18: schema classico di un generatore analogico di onda a dente di sega. ...157 Figura III.19: schema completo del generatore di onde sawtooth con sistema di chiusura in uscita...158 Figura III.20: schema a blocchi del frequenzimetro...159 Figura III.21: schema elettrico di uno dei due monostabili...161 Figura III.22: segnali salienti della simulazione del circuito monostabile di Figura III.21...162 Figura III.23: simulazioni del circuito monostabile a 1kHz (a) e 3kHz (b): dalle indicazioni riportate nella finestra di misura relativa ai cursori X e Y, si nota la durata degli impulsi nei due casi, pari a 119,67μs nel primo caso e 118,25 nel secondo...164 Figura III.24: panoramica dello schema del frequenzimetro, con dettaglio sullo stadio di somma dei due rami per S+ ed S-...164 Figura III.25: segnali dello stadio di somma degli impulsi dei due monostabili...165 Figura III.26: risposte in ampiezza dei filtri di Butterworth, Čebyšëv, e Bessel per un confronto simulativo a parità di fT=100 Hz e guadagno in continua Af=4...167 Figura III.27: risposte in fase dei filtri di Butterworth, Čebyšëv e Bessel per un confronto simulativo a parità di fT=100 Hz e guadagno in continua Af=4...167 Figura III.28: transitorio della risposta al gradino dei tre filtri simulati...168 Figura III.29: particolare simulativo del ripple a 300Hz in uscita al filtro di Bessel progettato nel frequenzimetro...169 Figura III.30: schema elettrico del filtro implementato nel frequenzimetro...169 Figura III.31: transitorio della tensione di uscita del frequenzimetro, simulata con TINA per una frequenza della Vmo pari a 1kHz...170 Figura III.32: grafico della caratteristica tensione-frequenza misurata, in cui sono stati riportati anche la retta interpolante e il residuo R^2 dei minimi quadrati...171 Figura III.33: schema a blocchi dell’implementazione di un estrattore di valore RMS a metodo indiretto...172 Figura III.34: schema circuitale del controllore PI (proporzionale-integrativo) implementato...173 Figura III.35: risposta in ampiezza (in alto) e in fase (in basso) del blocco controllore PI (proporzionale-integrativo) descritto dalla formula II.11...174 Figura III.36: schema a blocchi del sistema modellato nel simulatore...176 Figura III.37: schema del modello dell’estrattore RMS utilizzato per le simulazione del sistema completo. ...177 Figura III.38: transitorio di uscita del modello di estrattore RMS di Figura III.37,
per una sollecitazione sinusoidale di frequenza 1 kHz e ampiezza 1 Volt...178 Figura III.39: segnali caratteristici del sistema simulato nel transitorio di accensione...179 Figura III.40: dettaglio sulla tensione Vmo in riferimento alla stessa simulazione di Figura III.39 ma con scala dei tempi ampliata...181 Figura III.41: sollecitazione con variazione continua di frequenza, utilizzata come tensione Vgen dello schema di Figura III.36...182 Figura III.42: risultati simulativi della risposta del sistema alla sollecitazione di Figura III.41...183 Figura III.43: sollecitazione con variazione brusca di frequenza e ampiezza...184 Figura III.44: risultati simulativi della risposta del sistema alla sollecitazione di Figura III.43...184 Figura III.45: risultati simulativi della risposta del sistema ad una variazione istantanea di carico...186 Figura III.46: risultati simulativi della risposta del sistema ad un doppia variazione di carico...187 Figura III.47: schema a blocchi del modello simulativo utilizzato per il sistema a regolazione parallela...188 Figura III.48: confronto dell'andamento della potenza generata al variare del carico per i regolatori serie e parallelo, parametrizzata per frequenze di 1, 2 e 3 kHz.. . .192 Figura III.49: confronto dell'andamento della potenza generata al variare della potenza dissipata sul carico per i regolatori serie e parallelo, parametrizzata per frequenze di 1, 2 e 3 kHz...192 Figura III.50: confronto dell’andamento della potenza dissipata sul generatore al variare del carico per i regolatori serie e parallelo, parametrizzato per le frequenze 1kHz, 2kHz e 3kHz...193 Figura III.51: confronto dell’andamento della potenza dissipata sul generatore al variare della potenza sul carico, per i regolatori serie e parallelo, parametrizzato per le frequenze 1kHz, 2kHz e 3kHz...193 Figura III.52: confronto dell’efficienza dei regolatori serie e parallelo al variare del carico, parametrizzato per le frequenze 1kHz, 2kHz e 3kHz...194 Figura III.53: confronto dell’efficienza dei regolatori serie e parallelo al variare della potenza dissipata sul carico, parametrizzato per le frequenze 1kHz, 2kHz e 3kHz...194 Figura III.54: dettaglio della configurazione dei mosfet sulla maglia di potenza del regolatore...196 Figura III.55: schema circuitale del driver del MOS Tup per la semionda positiva. ...197 Figura III.56: circuito equivalente del driver e del mosfet per la semionda positiva, nel caso di impulsi di on e di off entrambi bassi...198
Figura III.57: treno di impulsi di pilotaggio per la simulazione del solo interruttore per la semionda positiva...199 Figura III.58: dettaglio del fronte di salita della tensione sul carico per la simulazione dellinterruttore on up (fronte di accensione del MOS Tup)...200 Figura III.59: schema circuitale del driver del MOS Tdown per la semionda negativa...201 Figura III.60: dettaglio del fronte di salita della tensione sul carico per la simulazione dellinterruttore on down (fronte di accensione del MOS Tdown).. . .202 Figura III.61: dettaglio del tempo di spegnimento del mosfet per la semionda positiva...202 Figura III.62: dettaglio del tempo di spegnimento del mosfet per la semionda negativa...203 Figura III.63: modello simulativo del sistema con generatore e interruttori reali; non è presente reazione, la durata degli impulsi di pilotaggio è impostata manualmente per ogni frequenza di simulazione...205 Figura III.64: segnali salienti del driver del mosfet per S+, per una tensione del generatore di 1 kHz di frequenza e 50V di ampiezza...206 Figura III.65: segnali salienti del driver del mosfet per S-, per una tensione del generatore di 1 kHz di frequenza e 50V di ampiezza...206 Figura III.66: segnali salienti del driver del mosfet per S+, per una tensione del generatore di 3 kHz di frequenza e 150V di ampiezza...207 Figura III.67: segnali salienti del driver del mosfet per S-, per una tensione del generatore di 3 kHz di frequenza e 150V di ampiezza...207 Figura III.68: prima possibile configurazione per il pilotaggio degli impulsi di on e di off...209 Figura III.69: seconda possibile configurazione per il pilotaggio degli impulsi di on e di off...210 Figura III.70: pilotaggio con segnali di on e di off complementari, ma comprensivi di un margine temporale di riattivazione del segnale di off...211 Figura III.71: schema circuitale del generatore degli impulsi di off-up...211 Figura III.72: simulazione del comportamento del generatore di impulsi di off-up. ...212 Figura III.73: schema circuitale del generatore di impulsi di off-down...213 Figura III.74: simulazioni del generatore di impulsi di off-down...214 Figura III.75: forma d'onda della tensione Vmo per un carico di 8,2 Ω e per una Vgen @ 1 kHz, 20Vpp (valore di consegna Vrms=4,6V)...216 Figura III.76: forma d'onda della tensione su di un carico da 8,2 Ω per una Vgen @ 1 kHz, 20Vpp (valore di consegna Vrms=4,6V)...216 Figura III.77: forma d'onda della tensione Vmo per un carico di 8,2 Ω e per una Vgen @ 3 kHz, 20Vpp (valore di consegna Vrms=4,5V)...217
Figura III.78: forma d'onda della tensione su di un carico da 8,2 Ω per una Vgen @ 3kHz, 20Vpp (valore di consegna Vrms=4,5V)...217 Figura III.79: misura di un transitorio della tensione sul carico, per una variazione istantanea del carico da 8,2 Ω a 4,1 Ω...218 Figura III.80: schema del piazzamento dei blocchi funzionali su PCB...221 Figura III.81: foto del circuito stampato con componenti e dissipatori...222 Figura III.82: tensione sul generatore (Vmo) e sul carico (Vload) in condizioni di regolazione attiva...223 Figura III.83: schema a blocchi del sistema completo per la realizzazione elettronica digitale...225 Figura III.84: andamento della tensione sul carico, per Rload=1Ω, al variare della frequenza del generatore Vg...227 Figura III.85: schema del circuito modellizzato durante le simulazioni per la determinazione della minima frequenza al di sotto della quale il sistema necessita sempre di una regolazione passiva...227 Figura III.86: frequenza limite della regolazione passiva per ogni valore del carico. Con Rload inferiore a 10 Ω il generatore deve lavorare ad alte frequenza per fornire all’utilizzatore la tensione RMS desiderata...228 Figura III.87: dettagli dei collegamenti dello zero crossing realizzato attraverso un comparatore analogico della Porta B e le interruzioni esterne della Porta H...236 Figura III.88: a): schema della rete di adattamento realizzata per prelevare la tensione ai capi del carico. b): confronto tra l’andamento della tensione adattata (Vload-a ) e quella originale (Vload )...238 Figura III.89: schema della rete di adattamento realizzata per prelevare la tensione ai capi del motore...239 Figura III.90: schema circuitale del circuito per lo zero crossing esterno della soluzione ibrida. ...241 Figura III.91: andamento di K*p (ordinate) in funzione della frequenza della tensione del generatore Vg (ascisse). In blu è possibile vedere la curva che meglio ne approssima l’andamento, che ha un andamento del tipo x^-2...243 Figura III.92: andamento del fattore di controllo in funzione del periodo di Vmo; in celeste è possibile vedere la quadratica che meglio ne approssima l’andamento..244 Figura III.93: Andamento di Vload-RMS in funzione del numero di cicli di regolazione effettutati, per diverse frequenze di Vmo...245 Figura III.94: andamento di K*p, in base all’entità di Rload, per una frequenza di Vg pari a 1,5 kHz...245 Figura III.95: relazione che lega la resistenza del carico all’intervallo di conduzione necessario ad avere Vload-RMS = 13,5 V. La curva in rosso si riferisce ad una frequenza di Vg pari a 3 KHz, mentre quella in blu a 2,5 KHz. Sull’asse X sono riportati i valori degli intervalli di conduzione espressi in numero dei cicli del timer
(con una frequenza di clock di 16 MHz)...246 Figura III.96: andamento inverso della Figura III.95. Sulle ascisse compare Δ espresso in numero di cicli del timer, mentre i valori presenti sulle ordinate tengono presente una Rload che può variare tra 2 e 100 Ω...247 Figura III.97: relazione tra l’intervallo di conduzione necessario per alimentare correttamente un carico di 100 Ω e la durata di un semiperiodo di Vmo. Entrambe gli assi si riferiscono al numero di cicli di un clock a 16 MHz. In rosso il risultato del fitting...248 Figura III.98: relazione tra K100 ed il semiperiodo di Vmo, espresso in numero di cicli di un clock a 16 MHz. In rosso il risultato del fitting...249 Figura III.99: andamento di αK in funzione della resistenza del carico, per diversi valori della frequenza del generatore...250 Figura III.100: rappresentazione della macchina a stati realizzata dal firmware.. 251 Figura III.101: Segnale di esecuzione di ISR(PORTH_INT0_vect) (curva rossa) e andamento della tensione sul carico (cerchio verde)...260 Figura III.102: Segnale di esecuzione di ISR(PORTH_INT0_vect) (curva rossa) e andamento di Vmo (curva verde)...260 Figura III.103: Segnale che indica l’esecuzione di della routine associata ad INT1 generata dalla Porta H (curva rossa) e andamento della tensione parzializzata sul carico (curva verde)...261 Figura III.104: Segnale di esecuzione di ISR(ADCA_CH0_vect) (curva rossa) e andamento di Vload (curva verde)...261 Figura III.105: Segnale di esecuzione di ISR(ADCA_CH0_vect) (curva rossa) e andamento di Vload (curva verde)...262 Figura III.106: Prove di laboratorio. Confronto tra la tensione prodotta dal generatore (canale 1) e l’effetto della parzializzazione sul carico (canale 2)...262
Indice delle tabelle
Tabella I.1: simboli utilizzati nella trattazione matematica, loro descrizione e unità
di misura nel sistema MKS...11
Tabella I.2: caratteristiche di ciascuno strato dei campioni virtuali D ed A: nome del materiale, conducibilità termica k, dimensioni laterali Lx·Ly, densità delle mesh nx·ny, numero di autovalori utilizzati (Nnm)...27
Tabella I.3: caratteristiche dei campioni A1 e B1 utilizzati nei test...37
Tabella I.4: caratteristiche degli strati del modello utilizzato per simulare il dispositivo dell'ingrandimento di Figura I.16 con relativo assemblaggio...42
Tabella I.5: parametri geometrici e termici utilizzati nelle simulazioni per l'individuazione della conducibilità dello strato di isolante del substrato IMS; caratteristiche strutturali dell'isolante omesse per riservatezza...69
Tabella I.6: codice di classificazione delle simulazioni eseguite...83
Tabella I.7: tabulato standard del sistema DJOSER relativo al file B4F. ...84
Tabella I.8: Tabulato dei dati di input per il file B4F=IMS...89
Tabella II.1: segnali in tensione a valle dello stadio a transimpedenza per il fotodiodo di segnale (VSIGN) e per il fotodiodo di riferimento (VREF) al variare della temperatura del target...120
Tabella II.2: correnti del fotodiodo di segnale (ISIGN) e del fotodiodo di riferimento (IRIF) al variare della temperatura del target...120
Tabella II.3: potenza ottica incidente sul fotodiodo di segnale (PSIGN) e sul fotodiodo di riferimento (PREF) al variare della temperatura del target...121
Tabella II.4: dati di calibrazione: tensione in uscita dalla scheda in funzione della temperatura del target...123
Tabella II.5: dati utilizzati nella simulazione del modello...131
Tabella III.1: quadro sinottico degli effetti, sull’uscita del processo, delle componenti del regolatore, all’aumentare del contributo di ogni singolo fattore..149
Tabella III.2: specifiche utilizzate nel dimensionamento del regolatore serie...152 Tabella III.3: Risultati delle simulazioni per la determinazione del Sampling Rate
minimo...230 Tabella III.4: dati sul dimensionamento del timer del microcontrollore...233 Tabella III.5: quadro sinottico delle caratteristiche richieste al microcontrollore. Per la frequenza di clock dell’unità di calcolo si è fatto riferimento all’architettura dei microcontrollori AVR della ATMEL, utilizzati per la realizzazione del progetto. ...233 Tabella III.6: Scala delle priorità assegnate alle possibili richieste di interrupt....252
