Strategie di caratterizzazione e controllo degli aspetti termici dei dispositivi elettronici di potenza in ambito automotive

L’attività di ricerca svolta nei tre anni del corso di dottorato si è articolata in due tematiche generali. La prima ha riguardato lo studio delle problematiche di natura termica di dispositivi e assemblaggi elettronici, mentre la seconda è consistita nella progettazione, simulazione, realizzazione e testing di sistemi di elettronica di potenza per la regolazione AC delle tensioni prodotte da generatori a magneti permanenti. Nell’ambito della prima tematica è stato sviluppato a livello teorico ed implementato tramite relativo software un nuovo codice per la simulazione termica in regime stazionario di dispositivi e sistemi di potenza. Tale codice, denominato DJOSER, si basa sulla risoluzione analitica diretta delle equazioni di trasporto del calore in un solido multistrato, ed è candidato a sostituire i più complessi ed onerosi programmi di calcolo agli elementi finiti a parità di accuratezza. Come ulteriore attività connessa a questo tema vanno inclusi sia l’attività di validazione teorica (confronto con gli elementi finiti) e sperimentale (verifica dei risultati mediante tecniche di misura della temperatura per via elettrica e termografica), sia le numerose applicazioni su sistemi reali suggeriti dal rapporto con industrie del settore. In ultimo la tecnica di simulazione termica è stata applicata con successo, in congiunzione con un risolutore elettrico dedicato, ad uno studio sul comportamento elettrotermico di transistori cellulari bipolari, evidenziando in particolare il fenomeno dell’Hot-Spot e consentendo di proporre delle efficaci contromisure. Sempre nell’ambito della prima tematica generale, durante i tre anni di dottorato è stato allestito un sistema di misura dinamica della temperatura di dispositivi elettronici con il metodo ottico ‘senza-contatto’ della termoriflessione, che sfrutta la dipendenza dalla temperatura del coefficiente di riflessione di semiconduttori e metalli. Con l’apparato di misura allestito e l’elettronica di controllo progettata, sono stati rilevati dei transitorî su campioni opportunamente costruiti, sui quali è stato possibile misurare la resistenza termica con risoluzione spaziale con il metodo TRAIT, il cui valore è stato confermato da una analisi della struttura effettuata con il programma DJOSER. Nell’ambito della ricerca sui sistemi di elettronica di potenza, è stato progettato e realizzato in duplice versione un nuovo tipo di regolatore AC da applicare a generatori a magneti permanenti, specifico per motoveicoli senza batteria e per i sistemi per la produzione eolica dell'energia di piccola taglia. L’aspetto innovativo del progetto in questione è il tipo di regolazione, serie anziché parallelo (gli interruttori sono posti in serie al generatore), il che evita la cortocircuitazione dell'alternatore con la conseguente erogazione di forti correnti e produzione di coppie frenanti. L’interruzione del circuito avviene solo in determinati istanti in cui la corrente nel carico si annulla, al fine di evitare spike di tensione. Il progetto è stato realizzato e testato sperimentalmente su un alternatore, in una prima versione con la parte di controllo realizzata in elettronica analogica con componenti discreti e integrati, e in una seconda in cui la gestione del controllo è stata totalmente demandata da un microcontrollore. Il progetto è stato oggetto di un brevetto in ambito italiano ed è attualmente in attesa di approvazione come brevetto internazionale (PCT).