Architetture e Convertitori di Potenza per la Distribuzione dell Energia

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1 ALIMENTAZIONE IN AMBIENTE OSTILE: APPLICAZIONE AD ESPERIMENTI DI FISICA DELLE ALTE ENERGIE Architetture e Convertitori di Potenza per la Distribuzione dell Energia Marco Riva Università degli Studi di Milano

2 Distribuzione dell Energia Elettrica La qualità e l efficienza della distribuzione della potenza elettrica rappresentano un elemento chiave per il corretto funzionamento di ogni sistema o apparecchiatura elettrica; I diversi livelli di utilizzo e di distribuzione dell energia rendono l architettura di un sistema elettrico complessa: Alimentazione con livelli diversi di tensione e corrente; Politica d intervento dei carichi e gestione dei guasti; Dimensioni ridotte: sistemi integrati ad alta densità di potenza con elevate criticità termiche; Soluzioni a basso costo. 2

3 Telecom Power System MOTOR Electrical Drive 48VDC BUS V 3Φ Φ Telecom Power System V 1Φ Electronic Board 48VDC BUS V 1Φ UPS Lighting System UPS Electronic Board 3

4 Alimentazione per l elettronica di processo negli esperimenti di fisica delle alte energie La dimensione e la complessità degli esperimenti basati sull'acceleratore LHC ha imposto un profondo cambiamento nei sistemi di alimentazione dei rivelatori e dell elettronica di front-end e readout rispetto al progetto originale; I rivelatori a maggior consumo sono stati costretti ad installare gli apparati di conversione in rack all interno della caverna sperimentale per garantire stabilità nelle alimentazioni e riduzione delle perdite; Le modifiche hanno comportato la progettazione di apparati in grado di lavorare in ambiente cosiddetto ostile, cioè in presenza di alta radiazione e campo magnetico. 14

5 Implementazione attuale del Sistema LVPS 19 regolatori lineari/feb Esperimento ATLAS Sistema di alimentazione delle FEB del Calorimetro LAr. 15

6 16

7 Esempio LAr Detector 17

8 Requisiti Elettrici per LVPS Sistema a uscite multiple Regolazione di tensione: line ±5%, load ±10% Massima potenza richiesta in uscita: 3.2kW (25% fattore di crescita) Efficienza: >80% Ridondanza N+1 Campo magnetico stazionario: 300G Presenza di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti (dose assorbita ϒ 450Gray) Compatibilità EM in accordo con VDE standard Dissipazione atta a rendere il sistema termicamente inerte Dimensioni fisiche complessive: 15cm x 40cm x 30cm 1Gy=100rad 1Gy=1Sv 1Gauss=10-4 T 18

9 Considerazioni generali 1 Le soluzioni proposte sono state ottenute mutuando tecniche usate in ambito spaziale e dando impulso alla ricerca di soluzioni e componentistica COTS (components off the shelf) necessaria a garantire prestazioni adeguate in termini di resistenza alle radiazioni, robustezza e affidabilità; I sistemi di alimentazione attualmente installati sono qualificati per un operatività di 10 anni di esposizione ai livelli di radiazione simulati; Gli apparati di conversione dovranno essere sostituiti per il run successivo all upgrade ad una maggiore luminosità di LHC, previsto per il decennio

10 Considerazioni generali 2 - Tendenza della situazione attuale - L aumento di luminosità, previsto dall upgrade di LHC, spingerà verso un ripensamento del intero sistema elettronico di misura: Aggiornamento tecnologico della strumentazione Apparati con maggiori livelli di tolleranza alle radiazioni e al campo magnetico; Appare necessaria un ottimizzazione dei sistemi di alimentazione volta ad aumentarne l efficienza ed a ridurne l ingombro; La richiesta fondamentale è quella di fornire all utente finale, con elevata efficienza e rapida capacità di adattamento, una tensione regolata in grado di rispondere alle richieste statiche e dinamiche dei carichi. Negli ultimi anni si sono registrate una serie di innovazioni tecnologiche, che hanno spinto ad un progressivo innalzamento della tensione di distribuzione primaria in CC in contrapposizione con un una riduzione dei valori di tensione che sono passati dai tradizionali 5V ai livelli richiesti dalle più recenti famiglie CMOS che scivolano anche sotto i 2V. 22

11 Esempi di alimentazione richieste dai moderni carichi digitali Richieste di alimentazione dei prossimi dispositivi a logica programmabile OBDH COT DSP TX 5W, 3.3V; COTS Maxwell CPU board SCS750 on Gaia: 3 Power 3.3V, 3x10W Nei sistemi OBDH i livelli di tensione richiesti sono 2.5V and 1.5V con un consumo massima di potenza di 2W per ciascun sottosistema. 23

12 Architetture per la distribuzione in CC 1. Centralized Power Architecture (CPA): Un unico sistema di conversione isolato genera l intero set di tensioni CC regolate (±12V, ±5V e+3.3v) per l alimentazione dei sottosistemi. 2. Decentralized Power Architecture: La conversione alle basse tensioni viene spostata in prossimità dei carichi con dei convertitori dedicati; 3. Distributed Power Architecture (DPA): Un BUS di distribuzione DC intermedio (+48V or +12V) viene generato attraverso un off-line converter (main DC-DC converter). 4. Intermediate Bus Architecture (IBA) In aggiunta alla generazione di una tensione principale (48V-76V), un ulteriore set di tensioni di BUS sono prodotte (8V-14V). Le basse tensioni sono pilotate attraverso point-of-load converters. 5. Spot Power Architecture Costituisce una soluzione intermedia tra CPA and DPA. Oltre alla tensione di BUS tipica delle soluzioni DPA, una o più tensioni sono prodotte direttamente. 6. Factorized Power Architecture (FPA) Un BUS factorized (26V-55V) non stabilizzato e privo di isolamento galvanico alimenta i attraverso converter dedicati (VTM). 24

13 Proposte Ottimizzazione dell architettura di distribuzione verso configurazioni a conversione distribuita : (DPA) o con bus intermedio (IBA) Razionalizzazione del numero delle tensioni di alimentazione Alimentazione di un solo livello di tensione intermedia Stadi successivi di conversione IBCs e s Possibilità di adozione di soluzioni con topologie non convenzionali Ridotta tensione di stress sui dispositivi Elevata frequenza di commutazione Ottimizzazione del progetto dei componenti magnetici Riduzione delle perdite e conseguente alleggerimento del progetto del dissipatore Uso di regolatori ni 26

14 Architetture di distribuzione Vdc DC bus regolato 48Vdc 10% Main DC/DC (ex LVPS) CRATE IB IB LDO Card #1 Card #2 LDO LDO ni LDO LDO ni LDO Card #3 Possibile uso di Convertitori non regolati DC bus intermedio 12V 10% 5V 10% ni PoL = Point Of Load IB = Intermediate Bus 28

15 Architetture di distribuzione 2 CRATE Card #3 280 Vdc Main DC/DC DC bus regolato 48Vdc 5% LDO Card #1 Card #2 LDO LDO ni LDO LDO ni LDO ni Convertitori ad elevato rapporto di trasformazione 29

16 Architetture di distribuzione 3 CRATE Card #3 280 Vdc Main DC/DC DC bus regolato 12Vdc 5% LDO Card #1 Card #2 LDO LDO ni LDO LDO ni LDO ni PoL = Point Of Load IB = Intermediate Bus 30

17 Problemi critici Immunità elettromagnetica dell elettronica di front-end Scelta dei livelli delle tensioni intermedie Quante e quali tensioni? Sistema con approccio modulare Ridondanza n+1 /, tolleranza al guasto singolo Ottimizzazione tra numero dei moduli e potenza di sovradimensionamento 2 x 3KW o 3 x 1.5KW o 4 x 1KW Riduzione delle perdite e loro distribuzione nel crate (pro e contro) Soluzioni isolate multiuscita ad elevata frequenza di commutazione Topologie Risonanti/Transizione Risonante a frequenza fissa Progetto delle parti magnetiche Scelta della potenza nominale e del livello delle tensioni IN/OUT Tipo di forma d onda (quadra o sinusoidale) Scelta di materiali magnetici capaci di operare ad elevati campi stazionari (bassa ingombri). Water cooled High radiation & magnetic field tolerance 31

18 Prime verifiche Valutazione della tolleranza dei circuiti dell elettronica di front-end alle emissioni radiate e condotte prodotte da convertitori a commutazione; Il Brookaven National Laboratory (LBN) ha realizzato una serie di test utilizzando convertitori ni commerciali H. Chen - Brookhaven National Laboratory F. Lanni - Brookhaven National Laboratory 32

19 Convertitori utilizzati LTM4602 6A High Efficiency DC/DC μmodule Complete Switch Mode Power Supply Wide Input Voltage Range: 4.5V to 20V 6A DC, 8A Peak Output Current 0.6V to 5V Output Voltage 1.5% Output Voltage Regulation Up to 92% Efficiency Output Over Voltage Protection IR3841 Integrated 8A Synchronous Buck Regulator Greater than 96% Maximum Efficiency Wide Input Voltage Range: 1.5V to 16V Wide Output Voltage Range: 0.7V to 0.9*Vin Continuous 8A Load Capability Programmable Switching Frequency up to 1.5MHz Programmable Over Current Protection 33

20 Rumore Irradiato: Posizioni di Test FEB Esterno FEC Prossimità del connettore Interno FEC Vicinanza al preamplificatore Sinistra e Destra Prossimità del connettore 34

21 Rumore Irradiato: all esterno FEC 35

22 Rumore Irradiato: all interno FEC 36

23 Rumore Irradiato: schermatura Involucro di alluminio di 30 mils (1mils=0.0254mm) -> 0.762mm 37

24 Rumore Condotto Sistema di alimentazione standard La tensione +4V alimenta 5 regolatori sulla FEB Pre-amplificatore: +3V output SCA +3.3V left analog SCA +3.3V left digital SCA +3.3V right analog SCA +3.3V right digital Condizioni di misura l ingresso +4V viene disconnesso dalla LVPS i 5 regolatori LDO vengono cortocircuitati IN-OUT L uscita a 3.3V del LTM4602 alimenta direttamente i preamplificatori e SCAs SCA: Switch Capacitor Array 38

25 Rumore Condotto 39

26 Conclusioni dei primi TEST EMI Effetto del Rumore Irradiato prodotto da Convertitori a commutazione di tipo Allesterno FEC: trascurabile Allinterno FEC: sensibile E necessaria una schermatura per raggiungere buone performance di rumore all interno FEC Rumore Condotto prodotto da Convertitori a commutazione di tipo Effetto trascurabile 40

27 Selezione della topologia Ricerca di strutture che siano garanzia di elevata efficienza e affidabilità di funzionamento in ambiente ostile, con accuratezza, stabilità e prestazioni estreme: 1) capacità di reggere commutazioni di carico con limitate oscillazioni della tensione di uscita ("settling time"); 2) capacità di alimentare carichi a potenza costante con caratteristiche di resistenza negativa; 3) capacità di rispettare, con strutture estremamente compatte, i stringenti requisiti di tipo termico e di suscettibilità e immunità ai disturbi elettromagnetici e alle radiazioni; 4) ridondanza e tolleranza al singolo punto di vulnerabilità; 41

28 Convertitori Risonanti LLC Pregi Funzionamento ad alta frequenza Elevata efficienza Volume ridotto Difetti Limitazione dinamica Frequenza variabile (Non indicato per configurazioni multi-uscita) 43

29 Convertitori Risonanti LCC M 1 L 1 C 1 R load M 2 C out C r Pregi Funzionamento ad alta frequenza Elevata efficienza Volume ridotto Difetti Limitazione dinamica Frequenza variabile (Non indicato a configurazioni multi-uscita) 45

30 Convertitore a sfasamento Full bridge L f M 1 M 2 L 1 Cf R load V in M 3 M 4 Pregi Funzionamento ad alta frequenza Commutazione a Frequenza fissa Commutazioni soft basate sull uso dei parassitismi (induttanza dispersa del trasformatore) Difetti Limitazioni dinamica sui transitori di ampio segnale (Non indicato a configurazioni multi-uscita) 48

31 Confronto fra le topologie Po=1.2KW Vin=370V-410V Vout=12V Iout=100A Teng Liu, Ziying Zhou, Aiming Xiong, John Zeng and Jianping Ying A Novel Precise Design Method for LLC Series Resonant 49

32 Convertitore Dual phase-shift M 5 C out1 R load1 M 1 M 2 M 6 L 1 V in M 3 M 4 C out2 R load2 Pregi Elevata frequenza di funzionamento Frequenza fissa di commutazione Dinamica a polo dominante (Indicata per configurazioni multiuscita) Adatta per uscite parallele Commutazioni soft basate sull uso dei parassitismi (induttanza dispersa del trasformatore) Difetti Elevato numero dei componenti attivi 50

33 Switch in Line (SILC) Pregi Elevata frequenza di funzionamento Frequenza fissa di commutazione Commutazioni soft basate sull uso dei parassitismi (elevata induttanza dispersa del trasformatore) Dinamica a singolo polo Difetti Adatta per configurazione con uscite parallelateelevati valori di correnti (Indicata per configurazione multiuscita) Elevato numero di condensatori di grande capacità Ridotta tensione drain-source MOS Possibilità di uso di una retroazione non isolata 51

34 Funzionamento della topologia SILC V in-2 V o C 6 T 1 ' L I L 13 S4 4 3 D4 C p4 C p3 Ts 11 D1 AUX C 01 R V 790W + Vin - 400V 800W 2V o C C 5 T I T1 S3 S2 2 1 D3 D2 C p2 C p1 Ts 12 D3 D4 D2 C 02 R V 10W C 10 S1 D1 0 I L t 52

35 Relazioni allo stazionario Considerando l ipotesi di una singola uscita equivalente e η=1 P out V O I O P in V0Q T VinQ 4T Q 2I L, max T 2 T V in T L T 2 T I O P O V 2 in T 4LTV V 2 in T 4LT O T 2 T 2 T T V in T LT T 2 T I o V T o 4L Intervallo di controllo 0<T 0 T/4 T T/2 53

36 Composizione del sistema modulare - Convertitore Principale (ex- LVPS) - Alimentatore è composto da 3 moduli da 1.5 kw in parallelo: Ingresso 280 V Uscita 12V Le attività di supervisione, controllo e gestione delle protezioni sono demandate ad un modulo esterno: Current Sharing Controllo start-up/failure Clock, Sfasamenti, Allarmi 59

37 Schema del singolo modulo (1.5 KW) Generazione delle alimentazioni ausiliarie per lo start-up e under voltage protection 280VDC CIRCUITERIA DI START-UP MAIN SWITCH LIMITATORE DI CORRENTE Dual-threshold current controller per la precarica dei condensatori e la protezione dai sovraccarichi +12V Convertitore 1.5 kw topologia SILC CONTROL DRIVE CIRCUIT CONVERTITORE SILC +12V ISOLATI CONTROL DRIVE CIRCUIT Input voltage Output voltage (main) 280 V 12 V CONVERTITORE AUSILIARIO Maximum supplied power (main) Switching frequency (main) 1.5 kw 100 khz Generazione delle tensioni di servizio Output voltage (aux) Maximum supplied power (aux) Switching frequency (aux) V1,V2,V3=12 V V4=5 V 20 W 200 khz 60

38 Collaborazione industriale Le fasi di ottimizzazione del progetto e realizzazione del dimostratore sono state svolte in collaborazione con i laboratori Via Vetraia, Viareggio (LU) - Italy Si ringraziano gli ingg. S. Selmi, C.Raffo e S. Petrucci 66

39 Progetto del trasformatore di potenza Trasformatore con due primari e un secondario a bassa tensione (5:5:1) struttura X tradizionale struttura planare Suddivisione in 4 sottotrasformatori Ogni sotto-trasformatore è costituito da 10 spire per ogni avvolgimento primario e 2 spire del secondario a presa centrale. I secondari sono realizzati con connessione in parallelo di 2 avvolgimenti per ridurre l induttanza dispersa. 67

40 Struttura di ogni sottotrasformatore Gli avvolgimenti delle 4 strutture sono stati realizzati con un PCB multistrato a 22 layer Il circuito di primario è costituito da 10 spire quello di secondario da 2 4 strati 4.71mm 22 strati 10 strati 2 spire concentriche per ogni strato Strati di conduzione termica per lo smaltimento del calore 4 strati UL94V-0 69

41 Prototipo del trasformatore planare

42 Layout del circuito La realizzazione del dimostratore è stata suddivisa su 8 PCB: Le parti di potenza sono state realizzate su supporto IMS (Insulated Metal Substrate) Le parti di controllo e i circuiti ausiliari su supporto FR4 Ceramic 74

43 Layout del circuito Convertitore Ausiliario a) Sezione di uscita, b) Sezione di ingresso e controllo c) Circuito di undervoltage lockout a) b) c) 75

44 Layout del circuito Sezione di potenza in ingresso (MOSFET + driver - Condensatori) 76

45 Layout del circuito Sezione di Uscita (Condensatori, Controllo Termico) 77

46 Layout e contenitore meccanico Il layout complessivo del circuito è stato ottimizzato in modo da: ridurre gli ingombri fisici 150 mm x 285 mm x 402 mm razionalizzare l utilizzo dello spazio permettere l alloggiamento di 3 moduli e del sistema di dissipazione garantire la migliore dissipazione termica La disposizione dei componenti è stata suggerita da stime delle perdite dei principali componenti attivi a varie frazioni del carico. 78

47 Viste del modulo

48 Verifica sperimentale Efficiency Output Power [W] Funzionamento open loop: Ch1) comandi gate-source dei lower MOS, Ch2) corrente di induttore, Ch3) tensione drain-source di M1, Ch4) tensione drain source di M3 Rendimento del convertitore a varie potenze di uscita 83

49 Potenza in uscita (P out ) sfasamento (Tφ) Output Power [W] Time Delay [s] x 10-6 Confronto fra previsione teorica e dati sperimentali (puntini) 84

50 Transitorio di accensione Ch1) Tensione di uscita del convertitore ausiliario; Ch2) Tensione di accensione; Ch3) Tensione di ingresso; Ch4) tensione gate-source dell interruttore principale 85

51 Comportamento dinamico del SILC i in G o contr v contr v in A S v in Y in T C i out Y in contr v contr i out Z out Z o, ol ( j ) V I o o V in, T r cos t i v o o ( j ( j ) ) t, io 0 t G o contr ( j ) V T o v ( j ) Vin, Io cos t vin, io o t 0 A T S, ol C, ol ( j ( j ) ) V V I I o in in o I, T V o in, T r r cos t cos t v v i i in o in o ( j ( j ( j ( j ) ) ) ) t, io t, vin 0 0 Y Y in contr in, ol ( j ( j ) ) I T I V in in in V in I, T o, I o r cos t cos t i i v in in in ( j t ( j ( j ) ) ) vin, io t, io

52 Suscettibilità della G loop a diversi carichi 140 Bode Diagram Magnitude (db) kw Phase (deg) Frequency (Hz) 89

53 Misure dinamiche G loop Magnitude [db] W W Phase [deg] Frequency [Hz] Dipendenza della funzione Control to Output (G loop ) dal punto di lavoro 90

54 Misure dinamiche G loop Magnitude [db] V Phase [deg] Frequency [Hz] Dipendenza della funzione Control to Output (G loop ) dalla tensione di alimentazione 91

55 Comportamento a variazioni di carico a) Comportamento dinamico a gradini di carico di 12A (da 25 A a 37 A). Ch3 tensione di uscita (accoppiamento in AC); Ch4 variazione di carico. b) Tensione di uscita Ch3, variazione di carico Ch1: a) tensioni di ingresso 260V e b) tensione di uscita 280V 92

56 Attività future Test del trasformatore e del convertitore in ambiente ostile: Campo magnetico Radiazioni Ionizzanti Realizzazione del crate completo per il Convertitore Principale: 3 unità da 1500W Test di funzionamento: Affidabilità alle condizioni di guasto (2 unità ON) Verifica dell efficacia del sistema di raffreddamento (limiti di temperatura) 93