Modelli termici per componenti elettronici di potenza

L'elaborato illustra una serie di modelli termici, che si differenziano principalmente per la loro accuratezza e velocità di calcolo, per essere in grado di scegliere il modello più adatto da utilizzare in relazione all'applicazione prevista e alle esigenze richieste. Per una migliore comprensione del problema, vengono introdotti inizialmente alcuni concetti generali legati alle temperature in gioco nei componenti elettronici di potenza e alla trasmissione del calore, poi si passa alla determinazione della sorgente del calore (ovvero le perdite) in un modulo IGBT. Vengono quindi descritti alcuni modelli che siano in grado di rappresentare il sistema in esame dal punto di vista termico. Infine viene implementato in Simulink uno dei modelli proposti, mettendo così in pratica gran parte dei concetti esposti. Per il calcolo delle perdite, per i modelli e per la simulazione ci si è concentrati su un determinato componente elettronico di potenza per entrare nel cuore di un problema termico. È stato scelto l’IGBT perché è un dispositivo relativamente nuovo, in continuo miglioramento ed è sempre più utilizzato.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Modelli di scambio termico in pozzo sulla base della caratterizzazione geotermica di un reservoir a bassa entalpia: studio di sensitività sulla efficienza dei sistemi di condizionamento a pompa di calore

Tra i temi di attualità, quello del risparmio energetico è tra i più dibattuti negli ultimi anni; tale tema è strettamente correlato al problema del riscaldamento globale, infatti, mentre sul prossimo esaurimento delle risorse energetiche tradizionali non vi sono ancora certezze assolute, per quanto riguarda l’azione nociva dei gas serra, la Comunità Scientifica Internazionale si ritrova d’accordo su una netta presa di posizione contro l’emissione di tali sostanze, provocata in larga parte dall’utilizzo dei combustibili fossili. In questo contesto, l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedano l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia, ove una corretta progettazione e l’utilizzo di tecnologie non convenzionali può portare alla riduzione anche dell’80% dei consumi, con conseguente abbattimento delle emissioni. Tra questi interventi innovativi, il più comune e conosciuto è sicuramente quello del solare termico e fotovoltaico; ma ne esistono anche di altri, ancora non molto pubblicizzati in Italia, ma ampiamente conosciuti e utilizzati in altri paesi dell’Unione. Tra questi, vi è il sistema di riscaldamento analizzato in questa tesi: la pompa di calore geotermica. Tale sistema, come verrà spiegato nell’elaborato di laurea, ha indubbi vantaggi economici, energetici ed ambientali, a fronte di una non trascurabile spesa iniziale. Attualmente, nel Nord Italia, si incominciano a vedere impianti di questo tipo, sulla scia del successo riscontrato nei paesi confinanti (in particolare Austria e Svizzera). La progettazione si basa attualmente su modelli statici, sviluppati dall’Università Svizzera del Canton Ticino, per l’utilizzo della pompa di calore nel territorio alpino. Obiettivo della tesi, è la verifica di tali modelli, di cui si è venuto a conoscenza grazie alla collaborazione con l’Università SUPSI, sulle condizioni idrogeologiche della Pianura Padana, soffermandosi su alcuni parametri fondamentali della progettazione di una pompa di calore geotermica, quali la conduttività e la capacità termica volumetrica dei terreni incontrati, la presenza di falde, ed i parametri geometrici del pozzo, al fine di dare una valutazione tecnica ed economica dell’impianto. Tali analisi è stata infatti fino ad ora affrontata in maniera sommaria dai perforatori, che eseguono generalmente sempre lo stesso modello di pozzo geotermico, sulla base degli esempi consolidati di Svizzera e Germania. Alcune misure di temperatura in situ sono state rilevate in collaborazione con la società Geotermia SRL di Mantova, ditta specializzata nella perforazione di pozzi geotermici (tale esperienza è parte centrale dell’estratto “Laboratorio di Tesi Ls”), mentre la parte modellistica della tesi è stata sviluppata in collaborazione con lo studio di progettazione Studio Seta SRL di Faenza, il cui stabile è climatizzato in parte con una pompa di calore geotermica.

V-CE Sensing for IGBT Protection in NPC Three Level Converters-Causes For Spurious Trippings and Their Elimination

Neutral point clamped (NPC), three level converters with insulated gate bipolar transistor devices are very popular in medium voltage, high power applications. DC bus short circuit protection is usually done, using the sensed voltage across collector and emitter (i.e., V-CE sensing), of all the devices in a leg. This feature is accommodated with the conventional gate drive circuits used in the two level converters. The similar gate drive circuit, when adopted for NPC three level converter protection, leads to false V-CE fault signals for inner devices of the leg. The paper explains the detailed circuit behavior and reasons, which result in the occurrence of such false V-CE fault signals. This paper also illustrates that such a phenomenon shows dependence on the power factor of the supplied three-phase load. Finally, experimental results are presented to support the analysis. It is shown that the problem can be avoided by blocking out the V-CE sense fault signals of the inner devices of the leg.

Measurement of IGBT switching characteristics and loss using coaxial current transformer

Device switching times and switching energy losses are required over a wide range of practical working conditions for successful design of insulated gate bipolar transistor (IGBT) based power converters. This paper presents a cost-effective experimental setup using a co-axial current transformer for measurement of IGBT switching characteristics and switching energy loss. Measurements are carried out on a 50A, 1200V IGBT (SKM50GB123D) for different values of gate resistance, device current and junction temperature. These measurements augment the technical data available in the device datasheet.Short circuit transients are also investigated experimentally under hard switched fault as well as fault under load conditions.

Comportamiento mecánico y eléctrico de un gel de silicona empleado en el encapsulamiento de transistores de potencia tipo IGBT

Resumen: Los materiales dieléctricos son ampliamente utilizados en el sector energético, estando a veces sometidos a condiciones de alto estrés eléctrico, mecánico y ambiental en general, que los ponen al borde de procesos y mecanismos de degradación que conllevan a una probable falla futura. Los geles dieléctricos han comenzado a ser ampliamente utilizados en aplicaciones de encapsulamiento de transistores de alta potencia tipo IGBTs (del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor), donde se manejan tensiones y corrientes considerables. En la mayoría de los casos, se necesita una protección para evitar descargas en fase gaseosa, ingreso de humedad al circuito y amortiguamiento mecánico para vibraciones. En el presente trabajo caracterizamos con diferentes técnicas aspectos destacables de este tipo de encapsulantes a base de un gel bifásico de silicona. Para observar el proceso de curado se empleó la técnica de espectroscopía de absorción infrarroja (FTIR), junto con la reología oscilatoria desde las propiedades mecánicas. A su vez, esta última, sirvió para comparar información provista por un novedoso concepto que implica observar a estas últimas desde el interior, a partir de la evolución de cavidades gaseosas generadas eléctricamente. Se comprobó que el comportamiento de estas cavidades es sensible a la historia previa del material, es decir, mecanismos de curado y envejecimiento previo.