Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

Wind analysis of the Messina Strait Bridge design project proposal with stabilizing cables

A new study on suspension bridges has been prompted by the big disaster of the Tacoma Narrow Bridge at half its design speed. The aerodynamic instability of long-span bridges has been studied using wind tunnel tests. As a result of improved aerodynamic performance from the geometrical configuration of the bridge deck, the aerodynamic criteria for suspension and cable-stayed bridges have become well established in recent years, thereby allowing longer bridge spans to be developed. Although the Messina Strait Bridge has yet to be constructed, we are looking forward to evaluating the impact of different deck cross-sections on both aerodynamic stability and cost reduction. To further improve the aerodynamic characteristics of long-span suspension bridges, an optimized multi-box bridge deck model with two side decks for traffic lanes, two middle railway decks, and three gaps separating them has been proposed aerodynamic performance has been experimentally verified. 1:80 scale wind tunnel tests have been conducted. According to the current MIDAS Model, the first torsional and the first vertical frequency ratios are 1.27787 and 1.36[1] respectively. It is the torsional/vertical frequency ratio, combined with the deck aerodynamic properties, that determines the wind response properties of the bridge for the most dangerous possible form of aeroelastic instability. The classic flutter is caused by the coupling of torsional and vertical modes. Stabilizing cables to the deck could be a solution to this classic flutter by reducing lateral displacement of the deck and increasing frequency ratios. Stabilizing cables will be installed on the deck in three different orientations: vertical, inclined, and horizontal, with diameters of 80 cm, 60 cm, and 40 cm in each orientation respectively. An overview of the research undertaken on this topic will be presented, as well as the most important findings.

Modeling and Design of Phase Shifted Full Bridge Isolated DC-DC ZVS Converter with Peak Current Mode Control

Nowadays, there is a boom in the use of electrification. Electric vehicles are gaining interest worldwide due to various factors, including climate and environmental awareness. In this thesis, a step-down isolated power supply for electric tractors is investigated, specifically the phase-shifted full-bridge (PSFB) DC-DC with synchronous rectification and zero-voltage switching (ZVS). This converter was selected for its high-power capacity with high efficiency. A 3500 W PSFB converter with peak current control (PCCM) is designed and modeled in MATLAB. The input voltage range is from 550 V to 820 V and the output voltage range is limited to 9 V to 16 V with a maximum output current of 250 A. All components were commercially designed and selected, including magnetics for the high-frequency transformer and inductors, taking into account loss calculations. Zero voltage switching for the lagging leg is achieved at 13% to 100% load. The proven efficiency of the converter is around 90

Progetto di un convertitore full-bridge phase-shifted isolato a commutazione risonante

L'evoluzione della tecnologia allo stato solido e il fiorire di nuove applicazioni determinano una forte spinta verso la miniaturizzazione dei convertitori elettronici di potenza. Questa riduzione di pesi ed ingombri è particolarmente sentita anche in quei convertitori di media potenza che necessitano di un trasformatore d'isolamento. In quest'ambito assume importante rilievo l'utilizzo di una architettura circuitale a ponte intero e di tecniche in grado di spingere la frequenza di commutazione il più in alto possibile. Questa tesi si propone quindi di studiare a fondo il funzionamento dei convertitori DC/DC isolati di tipo Full-Bridge e pilotati con la tecnica di modulazione Phase-Shifted che ben si presta all'impiego di commutazioni risonanti del tipo Zero-Voltage-Switching. L'analisi teorica sarà corroborata da simulazioni condotte su LTspice e sarà orientata all'individuazione di una metodologia di progetto generale per questo tipo di convertitori. Al fine di formalizzare meglio il progetto si è individuata una possibile applicazione nell'alimentazione di un DC-bus per telecomunicazioni (48 Volt DC sostenuti da batterie) a partire da una fonte di energia fotovoltaica quale una stringa di pannelli operanti con tensioni variabili da 120 a 180 Volt DC. Per questo particolare tipo di applicazione in discesa può avere senso l'impiego di un rettificatore del tipo a duplicazione di corrente, che quindi si provvederà a studiare e ad implementare a secondario del trasformatore d'isolamento. Infine particolare cura sarà dedicata alla parte di controllo che si ha intenzione di integrare all'interno di LTspice così da riuscire a simulare il comportamento dinamico del convertitore e verificare quanto predetto in via teorica mediante l'impiego della procedura che utilizza il K-Factor per la realizzazione della rete compensatrice.

Investigating the origin of radio emission from the intra-cluster bridge A399-A401

Radio bridges are a newly observed class of phenomena, they are large scale filamentary structures that span between pairs of clusters in a pre-merger phase. In my Thesis, starting from the observed synchrotron emission in the bridge A399-A401, I apply a Fermi I shock re-acceleration model under different conditions to the bridge. The purpose of my work is to check the likelihood of the above mentioned model. In particular the Inverse Compton emission that the model predicts is above the current observational constraints on Inverse Compton for the bridge A399-A401, this means that a Fermi I re-acceleration model is unlikely to describe the emission from the bridge, while a Fermi II turbulent re-acceleration model could still explain the origin of the emission in the bridge.

RED-Bridge: A Multiprotocol Tool Prototype for IoT Sensors

The IoT is growing more and more each year and is becoming so ubiquitous that it includes heterogeneous devices with different hardware and software constraints leading to an highly fragmented ecosystem. Devices are using different protocols with different paradigms and they are not compatible with each other; some devices use request-response protocols like HTTP or CoAP while others use publish-subscribe protocols like MQTT. Integration in IoT is still an open research topic. When handling and testing IoT sensors there are some common task that people may be interested in: reading and visualizing the current value of the sensor; doing some aggregations on a set of values in order to compute statistical features; saving the history of the data to a time-series database; forecasting the future values to react in advance to a future condition; bridging the protocol of the sensor in order to integrate the device with other tools. In this work we will show the working implementation of a low-code and flow-based tool prototype which supports the common operations mentioned above, based on Node-RED and Python. Since this system is just a prototype, it has some issues and limitations that will be discussed in this work.