Innovative Architecture of dc-dc Converters for High Efficiency Applications in Harsh Automotive Environment

Negli ultimi anni l’adeguamento a normative europee sempre più severe in materia di emissioni di anidride carbonica ha portato ad un’evoluzione del settore automotive. Uno dei cambiamenti più rilevanti è l’incremento significativo di elettronica di potenza a bordo. I convertitori dc-dc lineari vengono gradualmente sostituiti da regolatori a commutazione che permettono di raggiungere efficienze più elevate. Lo sviluppo di veicoli ibridi o completamente elettrici ha inoltre richiesto la presenza di convertitori bidirezionali ad alta potenza. Avendo sempre in mente l’obiettivo di ridurre le emissioni, alcuni produttori di automobili stanno promuovendo l’adozione di un unico bus a 48 V, dal quale derivare localmente le tensioni richieste dai dispositivi a bordo per mezzo di convertitori dc-dc ad alto step-down. Dunque anche la batteria non è immune al cambiamento. L’obiettivo di questa tesi è di ottimizzare i convertori dc-dc del settore automotive mediante l’impiego di controllori digitali. È stato evitato di aggiungere ulteriori dispositivi di potenza mentre si è agito sulle grandezze di modulazione (duty-cycle e sfasamenti) al fine di migliorare il funzionamento del convertitore. Questa attività di ricerca è stata possibile grazie alla collaborazione tra il gruppo di elettronica di potenza del dipartimento di ingegneria dell’informazione (DEI) dell’Università di Padova e Infineon Technologies Italia S.r.l.. La prima parte di questo lavoro si occupa delle traiettorie a minima corrente rms per il convertitore a doppio mezzo ponte risonante. L’espressione analitica è calcolata, semplificata e infine implementata per mezzo di un controllore digitale. In questo modo il convertitore può essere considerato come un modulo ottimizzato che riceve come segnale di controllo il valore di potenza. In secondo luogo è stata considerata la conversione da 12 V a 5 V mediante un convertitore a doppio mezzo ponte nella versione non risonante. In questo caso l’efficienza viene ottimizata mentre il convertitore è in funzionamento. La corrente di ingresso viene infatti misurata e l’algoritmo del simplesso agisce sul duty-cycle e lo sfasamento in modo da raggiungere il punto di massima efficienza. Questo approccio permette di ottenere un’ottimizzazione indipendente dal punto di lavoro e dal valore dei componenti, risultando quindi robusto anche in caso di invecchiamento dei dispositivi o variazioni di temperatura. Nella terza parte della tesi è stata selezionata la topologia SCTI per via dell’aumento di duty cycle che permette e delle commutazioni a zero tensione per tutti e tre gli interruttori di potenza. La topologia SCTI è promettente ma alcuni transitori tendono ad innescare un elevato picco di tensione che risulta in un grave problema di affidabilità. Per questo motivo sono state sviluppate due soluzioni, una circuitale basata su un soppressore ad avvolgimento ausiliario ed una di controllo. Benché la prima dia buoni risultati, è necessario prestare sufficiente attenzione ai parassiti, specialmente le induttanze di dispersione. Per questo motivo è stata implementata una soluzione basata su una macchina a stati finiti che richiede esternamente solo due comparatori analogici. Il convertitore SCTI non è una topologia comunemente impiegata e di conseguenza non è possibile trovare induttori ad hoc in commercio. Per questa ragione l’efficienza del convertitore SCTI è stata successivamente analizzata e ottimizzata considerando solo componenti presenti a catalogo. Durante un periodo di ricerca presso Infineon Technologies A.G. a Monaco sotto la supervisione del prof. Pelz, sono state eseguite a questo fine simulazioni Cadence R predisposte anche grazie ad algoritmi di machine learning messi a disposizione dal gruppo di Monaco. Questo lavoro ha permesso di comprendere come l’efficienza del convertitore varia su tutto lo spazio di progetto e di ottenere delle linee guida per il progetto dell’induttore.