Implementation and Modeling of Online Efficiency Optimization Techniques for High-Frequency dc-dc Converters in Automotive Applications

Negli ultimi anni si è assistito ad un rapido sviluppo nell'ambito dell'elettronica di potenza applicata all'industria automobilistica. Questa evoluzione riguarda molti aspetti nella progettazione dell'automobile, ad esempio l'efficienza energetica, la sicurezza, l'introduzione di sistemi x-by-wire, connettività e confort. Per questa ragione, mentre in passato il consumo di potenza associato ai dispositivi elettronici era trascurabile rispetto al consumo totale dell'auto, oggi si presta molta attenzione all'efficienza di ciascun dispositivo. Vi sono inoltre pressioni sociali e politiche che spingono verso la riduzione delle emissioni di CO2. Queste si traducono in sanzioni e tasse aggiuntive per le aziende inadempienti nei confronti dei limiti imposti dalle normative nazionali e internazionali, e in un conseguente danno di immagine delle stesse. È perciò chiaro che non rispettare questi standard causa una perdita di profitto e competitività. Perciò, negli ultimi anni, sono stati fatti molti investimenti finalizzati a trovare soluzioni economicamente realizzabili con lo scopo di migliorare l'efficienza energetica di ogni parte del veicolo. A questo proposito, il progetto di sistemi di alimentazione ad alta efficienza è di cruciale importanza. Per sistemi di alimentazione di dispositivi a bassa potenza quali i sistemi di sicurezza (airbag, sistemi anti-collisione etc...), connettività e illuminazione, lo stato dell'arte prevede l'utilizzo di circuiti di potenza appartenenti alla classe Smart Power Technology (SPT). Questa tecnologia permette di includere nello stesso chip, componenti analogici, digitali e transistori di potenza. Il punto di forza più importante di questa tecnologia è la possibilità di includere nello stesso circuito integrato oltre che al convertitore, sistemi di anti-surriscaldamento, protezione da cortocircuiti e sovratensioni e implementare sistemi di gestione intelligente dell'energia. Per molto tempo, la classe di convertitori di potenza più utilizzata è rappresentata dai regolatori lineari. Le caratteristiche principali di questi convertitori sono la loro bassa complessità dell'hardware e la riduzione dei costi e dimensioni. Per contro, risultano poco efficienti dal punto di vista energetico poiché la regolazione della tensione di uscita avviene dissipando la potenza in eccesso nel convertitore stesso. Di conseguenza, benché i regolatori lineari rappresentino ancora la maggior fonte di profitto, l'industria automobilistica sta investendo in soluzioni più efficienti come ad esempio i convertitori a commutazione. Le ragioni più importanti che hanno ostacolato la diffusione di questa classe di convertitori nell'ambito dei sistemi a bassa potenza sono i costi tipicamente più elevati e l'ingombro causato dall'impiego di componenti esterni quali induttori e condensatori di filtro. Questa attività di ricerca di dottorato si inquadra quindi nell'ambito dello sviluppo di tecniche di ottimizzazione online dell'efficienza, ossia sistemi nei quali il convertitore è mantenuto nel suo punto operativo di massima efficienza a prescindere dalle condizioni in cui esso si trova. L'attività di ricerca è svolta in cotutela con Infineon Technologies Italia Srl nell'ambito di un contratto di Apprendistato in Alta Formazione e Ricerca dal titolo “Studio e progetto di architetture e topologie circuitali innovative per convertitori DC/DC ad alta efficienza e ad alta frequenza di commutazione per applicazioni nel campo dell'industria automobilistica”. Una parte dell'attività è stata svolta durante un periodo di studio di sei mesi presso il Colorado Power Electronics Center dell'Università del Colorado a Boulder, sotto la supervisione del Prof. Dragan Maksimovic. L'approccio seguito mira a trasferire la complessità dell'hardware dal convertitore al controllo con un impatto minimo sul costo complessivo del sistema. A questo proposito, l'implementazione digitale del controllore rende possibile lo sviluppo di strategie di controllo avanzate e schemi di modulazione che sfruttano i gradi di libertà del convertitore per motivi di regolazione e ottimizzazione dell'efficienza. Un esempio è la possibilità di utilizzare tecniche soft-switching le quali consentono di aumentare notevolmente la frequenza di commutazione senza compromettere l’efficienza del convertitore e, in aggiunta, di ridurre le dimensioni dei componenti passivi. In particolare la ricerca è focalizzata sullo studio dei convertitori a doppio mezzo ponte, nelle loro versioni risonante e non risonante. Questa classe di convertitori è stata scelta per la bassa complessità dell'hardware e per il numero dei gradi di libertà che possono essere utilizzati per finalità di controllo. La prima parte della tesi tratta il tema della modellizzazione di questi convertitori dal punto di vista statico con particolare attenzione agli aspetti che riguardano la caratterizzazione dell'efficienza. Sulla base dei risultati ottenuti, sono proposte delle tecniche di controllo multivariabile e ottimizzazione online dell’efficienza. In sistemi di questo tipo, il convertitore si porta da un punto operativo all'altro ogni volta che si verifica un evento (ad esempio una variazione del carico o della tensione di batteria). Per questo motivo, durante il normale funzionamento, il punto operativo del convertitore può attraversare un'ampia porzione dello spazio di controllo quindi è richiesta un'accurata analisi dinamica per garantire la stabilità del sistema. Un'importante tematica affrontata in questa tesi, è lo studio dinamico dei convertitori a doppio mezzo ponte con controllo digitale multivariabile. In dettaglio, sono stati approfonditi aspetti riguardanti la modellistica della dinamica introdotta dai modulatori a sfasamento digitale a campionamento uniforme e dai modulatori a sfasamento e larghezza d'impulso a campionamento uniforme. Tali modelli sono stati impiegati al fine di costruire un modello ai piccoli segnali di tipo multi-armonica per il convertitore a doppio mezzo ponte con controllo digitale multivariabile. Tutti i risultati presentati in questa tesi sono validati tramite simulazioni e misure sperimentali fatte su prototipi a componenti discreti.