CORSO DI CIRCUITI ELETTRONICI DI POTENZA I
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- Angelina Bertoni
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1 CORSO DI CIRCUITI ELETTRONICI DI POTENZA I Prof. Nicola Femia N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 1
2 Obiettivi del corso: Studio ed applicazione dei metodi di progetto di convertitori dc-dc Organizzazione del corso: 30h metodi, 20h applicazioni, simulazioni numeriche, esperienze di laboratorio Libro di testo: R.W.Erickson, D.Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Publishing Modalità di esame: Progetto di un convertitore e discussione orale del progetto Conoscenze propedeutiche: Teoria dei circuiti, fondamenti di dispositivi elettronici ed elettronica analogica, fondamenti di dinamica dei sistemi e controlli automatici Orario di ricevimento: Lunedì e Mercoledì ore , Laboratorio di Circuiti Elettronici di Potenza T17 (piano terra), Stanza 267 (secondo piano) Contatti: Tel.: /964160, femia@unisa.it N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 2
3 Output: 10A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 3
4 Input: 36 75V Output: 10A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 4
5 Output: 50A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 5
6 Input: 36 75V Output: 50A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 6
7 Output: 30A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 7
8 Input: 36 75V 850W Application Schematic PP FETs Output Choke Power Transformer Output: 30A Feedback Network LM5030 Controller Input Inductor Current sense transformer Optical-isolated Feedback N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 8
9 Specifiche di mercato per gli alimentatori switching Basso costo Basso costo Basso costo elevata efficienza (>95%) dimensioni ridotte peso contenuto dinamica veloce regolazione precisa basse interferenze elettromagnetiche ampi range di variazione in ingresso/uscita N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 9
10 Sorgente SMPS Carico N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 10
11 SORGENTI: AC MAINS USA: 110VAC (95-135), 120VAC PRESE 208VAC ELETTRODOMESTICI 120VAC, 277VAC LAMPADE FLUORESCENTI 60Hz±3Hz EUROPA: 230VAC, 50Hz±3Hz AUSTRALIA: 240VAC N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 11
12 SORGENTI: BATTERIE 12VDC PIOMBO 3.6VDC (3-4.2VDC) Li-Ion 1.2VDC (1-1.4VDC) NiCd NiMH(Nickel Metal Hydride) NiH( Nickel Hydrogen) induttanza/cella 200nH N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 12
13 SORGENTI: PANNELLI SOLARI A V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 13
14 SORGENTI: PANNELLI SOLARI W V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 14
15 SORGENTI: PANNELLI SOLARI W 1500 T 300 K K K V N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 15
16 SORGENTI: PANNELLI SOLARI S N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 16
17 SORGENTI: PILE A COMBUSTIBILE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 17
18 SORGENTI: PILE A COMBUSTIBILE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 18
19 Processo di trattamento dell energia dalla sorgente DC/DC MPPT + DC/AC PFC out a ) al carico AC/DC PFC in + DC/DC post regulator N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 19
20 MPPT ideale trasformatore ideale a basse frequenze controllo a banda larga che impedisca la propagazione del disturbo a 100Hz dal condensatore di bulk ai pannelli INVERTER ideale IN=resistore non dissipativo OUT=generatore di corrente PFC ideale IN=resistore non dissipativo OUT=generatore di potenza P in(t)=p out(t) P in(t)=p out(t) condensatore di condensatore di bulk che sostenga bulk che sostenga una ondulazione di una ondulazione di tensione a 100Hz tensione a 100Hz + controllo a + controllo a banda stretta banda stretta DC-DC ideale IN=pozzo di potenza OUT=generatore di tensione controllo a banda larga che impedisca la propagazione del disturbo a 100Hz dal condensatore di bulk al carico N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 20
21 CARICHI: MICROPROCESSORI E PERSONAL COMPUTERS PENTIUM II N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 21
22 SPECIFICHE DI PROGETTO: PENTIUM III N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 22
23 SPECIFICHE DI PROGETTO: PENTIUM IV N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 23
24 TREND SEMICONDUTTORI N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 24
25 TREND TENSIONI E CORRENTI Year Vmax (V) Vmin (V) Ptyp (W) Imin(A) Imax(A) N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 25
26 TOLLERANZE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 26
27 STABILITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 27
28 INTEGRAZIONE N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 28
29 ARCHITETTURA PC POWER DISTRIBUTION N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 29
30 ARCHITETTURA DI UN ALIMENTATORE MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 30
31 ARCHITETTURA FORWARD MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 31
32 ARCHITETTURA FLYBACK MULTIUSCITA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 32
33 CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE RECTIFIER BATTERY- CHARGER TELECOM EQUIPMENT (ELECTRONIC CARDS) BATTERY 48V ( 264V) UPS 220VAC DATACOM EQUIPMENT TELECOM EQUIPMENT (ELECTRONIC CARDS) MODULI LOW VOLTAGE: +5V,-5V/6W 12W MODULI HIGH VOLTAGE: 32V,-41V,-51V,-92V/300W MODULI ADM: +5.4V/18A,-5.4V/8A,+12V/0.25A N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 33
34 AC Power Line CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE Telecom Infrastrucure 48V Distributed Power Conversion: Conventional architecture Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads (1) (2) (3) Point-of load Power Conversion AC Filter N+1 Redundant AC/DC Converters 15 A Fuse 48 2A 48V Isolated Converter 20A Non-isolated DC/DC Converter 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 48V Batteries 48 V - Hot Swap Controller + 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 34
35 CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE 48V Distributed Power Conversion: Intermediate power Bus Architecture AC Power Line AC Filter Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads N+1 Redundant AC/DC Converters (1) (2) ( 3) 15 A Fuse IBA Open-loop isolated converters 48 2A 48V Isolated Converter 20A SIP modules DC-DC not isolated Non-isolated DC/DC Converter 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 48V Batteries V Hot Swap Controller 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 35
36 CARICHI: APPARATI DI TELECOMUNICAZIONE 48V Distributed Power Conversion: New High efficiency trend AC Power Line Generate 48V.Distribute 48V Convert 48V to lower voltages for system loads (1) (2) (3) AC Filter N+1 Redundant AC/DC Converters 48V Batteries V Hot Swap Controller 15 A Fuse 48 V 48V Isolated Converter Cascade Multiple outputs 20A 20A Secondary side post 3A to 10A DSP IC Fiber PHY 0 V (GND) Note Market Entry Plan : 48V Hot Swap & PWM Controllers N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 36
37 CARICHI: LAMPADE A SCARICA N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 37
38 CARICHI: MOTOR DRIVES N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 38
39 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 39
40 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 40
41 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 41
42 N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 42
43 PROGETTAZIONE 1. SPECIFICHE - tensione e corrente di carico (livelli, forme d onda) - tensione e corrente di linea/sorgente (livelli, forme d onda) - rendimento - ingombro - regolazione statica - compensazione dinamica - inquinamento elettromagnetico - tolleranze - protezioni - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 43
44 PROGETTAZIONE 2. TOPOLOGIA - load regulation (post regulation), line regulation (pre regulation) - up/down - trasformatore di isolamento - half/full bridge - numero di componenti - stress - soft-switching - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 44
45 PROGETTAZIONE 3. COMPONENTI PASSIVI - modo di funzionamento continuo/discontinuo - ripple di tensione/corrente - input/output slew rates sotto carico dinamico - componenti e materiali magnetici - resistenza parassita (ESR), induttanza parassita (ESL) - dissipazione - ingombro - stabilità - slew-rates - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 45
46 PROGETTAZIONE 4. SCELTA DEI COMPONENTI ALLO STATO SOLIDO - Rating di corrente/tensione - Tempi di turn on/off - Perdite di conduzione - Perdite di commutazione - Resistenze parassite - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 46
47 PROGETTAZIONE 5. PROGETTO DEL CONTROLLORE - Controllo analogico/digitale - Controllo in tensione, controllo in corrente, - Scelta del circuito integrato di controllo - Scelta della frequenza di switching - Dimensionamento dei componenti per la regolazione statica - Dimensionamento dei componenti per la compensazione dinamica - Funzioni di trasferimento del convertitore - Verifiche di prestazione e stabilità - Robustezza - N.Femia: SMPS APPLICATIONS SOURCES AND LOADS 47
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