Power converters in WBG device technology for automotive applications and characterization setups for GaN power transistors

This PhD dissertation envisages the design of innovative power converters exploiting WBG devices to get state-of-the-art performance in products intended for industrial applications of automotive field. The collaborations with different specialized companies, provided the opportunity to access commercially-available state-of-the-art SiC and GaN technologies and the possibility to realize innovative converter prototypes. Concerning SiC technology, the complete design of a $350kW$ Battery Emulator instrument in collaboration with a company leader in the automotive testing sector, was carried out from scratch exploiting state-of-the-art SiC power-modules, planar magnetics and top-notch MCU technologies. Discrete high-voltage GaN switches were exploited in the Power Supplies design for automotive charger application to target improved performances compared to the market state-of-the-art. Specifically, two high-efficiency prototypes, an AC/DC converter and a DC/DC converter of $7.5kW$, have been realized for this purpose. To further investigate the characteristics of state-of-the-art GaN power devices two measurement set-ups have been designed. In particular, the trapping phenomenon causing the collapse of drain current during ON-state with a consequent degradation of ON-resistance has been analyzed.

Radiation characteristics enhancement of planar structures using metasurfaces

In this thesis, the focus is on utilizing metasurfaces to improve radiation characteristics of planar structures. The study encompasses various aspects of metasurface applications, including enhancing antenna radiation characteristics and manipulating electromagnetic (EM) waves, such as polarization conversion and anomalous reflection. The thesis introduces the design of a single-port antenna with dual-mode operation, integrating metasurfaces. This antenna serves as the front-end for a next-generation tag, functioning as a position sensor with identification and energy harvesting capabilities. It operates in the lower European Ultra-Wideband (UWB) frequency range for communication/localization and the UHF band for wireless energy reception. The design aims for a low-profile stack-up that remains unaffected by background materials. Researchers worldwide are drawn to metasurfaces due to their EM wave manipulation capabilities. The thesis also demonstrates how a High-Impedance Surface (HIS) can enhance the antenna's versatility through metasurface application, including conformal design using 3D-printing technology, ensuring adaptability for various deformation and tracking/powering scenarios. Additionally, the thesis explores two distinct metasurface applications. One involves designing an angularly stable super-wideband Circular Polarization Converter (CPC) operating from 11 to 35GHz with an impressive relative impedance bandwidth of 104.3%. The CPC shows a stable response even at oblique incidences up to 40 degrees, with a Peak Cross-Polarization Ratio (PCR) exceeding 62% across the entire band. The second application focuses on an Intelligent Reflective Surface (IRS) capable of redirecting incoming waves in unconventional directions. Tunability is achieved through an artificially developed ferroelectric material (HfZrO) and distributed capacitive elements (IDC) to fine-tune impedance and phase responses at the meta-atom level. The IRS demonstrates anomalous reflection for normal incident waves. These innovative applications of metasurfaces offer promising advancements in antenna design, EM wave manipulation, and versatile wireless communication systems.

Long-term reliability of power GaN HEMTS

The world is quickly changing, and the field of power electronics assumes a pivotal role in addressing the challenges posed by climate change, global warming, and energy management. The introduction of wide-bandgap semiconductors, particularly gallium nitride (GaN), in contrast to the traditional silicon technology, is leading to lightweight, compact and evermore efficient circuitry. However, GaN technology is not mature yet and still presents reliability issues which constrain its widespread adoption. Therefore, GaN reliability is a hotspot for the research community. Extensive efforts have been directed toward understanding the physical mechanisms underlying the performance and reliability of GaN power devices. The goal of this thesis is to propose a novel in-circuit degradation analysis in order to evaluate the long-term reliability of GaN-based power devices accurately. The in-circuit setup is based on measure-stress-measure methodology where a high-speed synchronous buck converter ensures the stress while the measure is performed by means of full I-V characterizations. The switch from stress mode to characterization mode and vice versa is automatic thanks to electromechanical and solid-state relays controlled by external unit control. Because these relays are located in critical paths of the converter layout, the design has required a comprehensive study of electrical and thermal problems originated by the use of GaN technology. In addition, during the validation phase of the converter, electromagnetic-lumped-element circuit simulations are carried out to monitor the signal integrity and junction temperature of the devices under test. However, the core of this work is the in-circuit reliability analysis conducted with 80 V GaN HEMTs under several operating conditions of the converter in order to figure out the main stressors which contribute to the device's degradation.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

Analysis, Design, and Hardware-in-the-Loop Validation of Multi-Active Bridge Converters

This master's thesis investigates different aspects of Dual-Active-Bridge (DAB) Converter and extends aspects further to Multi-Active-Bridges (MAB). The thesis starts with an overview of the applications of the DAB and MAB and their importance. The analytical part of the thesis includes the derivation of the peak and RMS currents, which is required for finding the losses present in the system. The power converters, considered in this thesis are DAB, Triple-Active Bridge (TAB) and Quad-Active Bridge (QAB). All the theoretical calculations are compared with the simulation results from PLECS software for identifying the correctness of the reviewed and developed theory. The Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is conducted for checking the control operation in real-time with the help of the RT box from the Plexim. Additionally, as in real systems digital signal processor (DSP), system-on-chip or field programmable gate array is employed for the control of the power electronic systems, and the execution of the control in the real-time simulation (RTS) conducted is performed by DSP.

Design and Implementation of Single phase 230V to Three Phase Inverter Based on the Embedded System STM-32 Applied to motor control

In the field of Power Electronics, several types of motor control systems have been developed using STM microcontroller and power boards. In both industrial power applications and domestic appliances, power electronic inverters are widely used. Inverters are used to control the torque, speed, and position of the rotor in AC motor drives. An inverter delivers constant-voltage and constant-frequency power in uninterruptible power sources. Because inverter power supplies have a high-power consumption and low transfer efficiency rate, a three-phase sine wave AC power supply was created using the embedded system STM32, which has low power consumption and efficient speed. It has the capacity of output frequency of 50 Hz and the RMS of line voltage. STM32 embedded based Inverter is a power supply that integrates, reduced, and optimized the power electronics application that require hardware system, software, and application solution, including power architecture, techniques, and tools, approaches capable of performance on devices and equipment. Power inverters are currently used and implemented in green energy power system with low energy system such as sensors or microcontroller to perform the operating function of motors and pumps. STM based power inverter is efficient, less cost and reliable. My thesis work was based on STM motor drives and control system which can be implemented in a gas analyser for operating the pumps and motors. It has been widely applied in various engineering sectors due to its ability to respond to adverse structural changes and improved structural reliability. The present research was designed to use STM Inverter board on low power MCU such as NUCLEO with some practical examples such as Blinking LED, and PWM. Then we have implemented a three phase Inverter model with Steval-IPM08B board, which converter single phase 230V AC input to three phase 380 V AC output, the output will be useful for operating the induction motor.

Modellazione, controllo e sviluppo sperimentale di un azionamento con convertitore boost integrato per DC fast charge

La presente trattazione propone un metodo innovativo per la fast DC charge, che permette di collegare le colonnine di ricarica a 400 V ai veicoli con batteria ad 800 V. Il collegamento avviene tramite l’azionamento elettrico di propulsione, che deve dunque essere riconfigurato durante la ricarica sotto forma di “integrated boost DC/DC converter”. L'elaborato illustra il modello matematico del sistema, lo schema di controllo in ambiente Simulink ed i risultati delle simulazioni. Infine, sono illustrate le prove a banco effettuate sul sistema in esame, la strumentazione utilizzata ed i risultati ottenuti per le configurazioni confrontate. Tuttavia, si dimostra che il metodo di ricarica richiede un’ulteriore induttanza per il collegamento al motore per evitare gli elevati ripple delle correnti di fase ed il conseguente surriscaldamento dei magneti rinvenuto durante le prove sperimentali.

Analisi fem, simulazione e sperimentazione di un azionamento brushless con convertitore boost integrato per DC fast charge

L'elaborato analizza il funzionamento di un integrated boost converter, operante come sistema di interfaccia per la ricarica di un veicolo elettrico operante a 800V con la colonnina di ricarica a 400V. Il convertitore utilizza le fasi dell'azionamento di trazione come induttanze di filtro. Mediante un’analisi agli elementi finiti sono stati estratti i parametri del motore elettrico di un veicolo stradale operante a 800V. Il funzionamento del convertitore è studiato in ciascuna delle configurazioni proposte in ambiente Simulink. Poi, sono state individuate le posizioni che permettono il funzionamento ottimale del sistema ed infine sono state eseguite le prove a banco per verificare le previsioni dei modelli matematici dell'integrated boost converter. Si è quindi ottenuta una configurazione dell'azionamento a bordo del veicolo che permette il trasferimento di energia tra batteria e colonnina di ricarica a tensione inferiore, seppur siano richiesti sviluppi futuri per poter avere una ricarica completa della batteria.

CRIAÇÃO DE UM SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DE RISCO DE VULNERABILIDADE DE DOENÇAS CRÔNICAS TRANSMISSÍVEIS E NÃO TRANSMISSÍVEIS NO TERRITÓRIO DE ABRANGÊNCIA DA UBSF PE. ERNESTO SASSIDA, NO PERÍODO 2015.

O presente trabalho aponta para a criação de um sistema de classificação de risco de vulnerabilidade, que determinará o risco da presença ou desenvolvimento de doenças crônicas transmissíveis e não transmissíveis (Hipertensão arterial sistêmica, diabetes mellitus 2, hanseníase, tuberculose, leishmaniose, dengue), através de um questionário estruturado com formato de fluxograma dirigido para determinar o risco de adoecer de patologias crônicas e consideradas endêmicas do território nacional; promovendo o diagnóstico precoce e determinando o risco de vulnerabilidade das doenças descritas. A intervenção parte do desenho do território de abrangência da Unidade de Saúde da Família Pe. Ernesto Sassida, de forma detalhada; a criação e aplicação de fluxogramas, no momento do cadastramento da família, posteriormente a informação coletada e condensada é transpassada no mapa da área; dessa maneira pretenderá conhecer, mais detalhadamente a situação epidemiológica atual e futura da população da área; podendo a ferramenta ser aplicada variadas vezes. Baseados nessa informação a equipe de saúde da Unidade poderá planejar estratégias de abordagem para as famílias, ou microterritórios que apresentem alto risco para uma o varias patologias, fazendo promoção da saúde e prevenção das doenças, por meio da visita domiciliar multidisciplinar, agendamento de consulta e outros; e posteriormente, poderá se confrontar os resultados das estratégias aplicadas e o grau de notificação de doenças, durante um período de tempo determinado. O trabalho com esse sistema procura detectar áreas de risco de doenças crônicas transmissíveis e não transmissíveis específicas no território de abrangência da UBSF Padre Ernesto Sassida e se converter numa ferramenta no planejamento da atuação na prevenção e não só no tratamento das doenças já instaladas.

Intervenção educativa da hipertensão arterial em PSF Miguel Sabino de Freitas. Município Pitangui - Minas Gerais

A Hipertensão Arterial dentre as doenças crônicas, constitui um problema de saúde, sendo uma doença de caráter universal, com alto risco de complicações.Este é um projeto da intervenção educativo, na população de 35 até 50 anos no PSF Miguel Sabino de Freitas, com diagnóstico de Hipertensão Arterial, pertencente ao município de Pitangui, Minas Gerais. Foram selecionados de um universo de 472 pacientes hipertensos, 184 pacientes (n =184), deles 72 homens e 112 mulheres, entre 35 e 50 anos de idade, de acordo com critérios, com objetivo que conheçam a importância de um bom controle da pressão arterial, suas complicações, assim como promover mudanças no estilo de vida. O estudo foi no período compreendido entre março-setembro de 2014. Para o cumprimento dos objetivos foi necessário capacitar a equipe de trabalho e realizar práticas educativas, através de palestras, roda de discussão e formação de grupos de interesse. Demonstrou-se que no PSF Miguel Sabino de Freitas 13.9 da população é portadora da doença, os mais afetados são pessoas entre 35 e 50 anos, com predomínio do sexo feminino em 54.2 . A hipertensão arterial tem causa no contexto sociocultural e sua prevenção deve pautar em ações educacionais e serem direcionados para produzir mudança de vida. Os resultados do estudo foram positivos, determinam que as famílias melhorem a na compreensão da hipertensão, além de converter-se em uma campanha de prevenção contra doenças crônicas não transmissíveis

Melhoria da Atenção à Saúde dos Usuários com Hipertensão e/ou Diabetes na UBS Barra do Rio Azul, Barra do Rio Azul/Rs.

No Brasil existem cerca de 17 milhões de portadores de Hipertensão Arterial Sistêmica, representando 35% da população de 40 anos ou e mais. Esse número é crescente e seu aparecimento está cada vez mais precoce. Outra doença que vem crescendo é o Diabetes Mellitus, estima-se que 11% da população igual ou superior a 40 anos é diabética, o que representa cerca de 5 milhões e meio de portadores. Modificações de estilo de vida são de fundamental importância no processo terapêutico e na prevenção da hipertensão e diabetes. No Brasil, o Diabetes Mellitus a Hipertensão Arterial Sistêmica são responsáveis pela primeira causa de mortalidade e de hospitalizações no Sistema Único de Saúde. Com objetivo de melhorar a atenção à saúde dos hipertensos e dos diabéticos foi desenvolvida uma intervenção na Unidade Básica de Saúde do município Barra do Rio Azul, estado do Rio Grande do Sul, no período janeiro a junho de 2015, com duração de 16 semanas. Para a realização dessa intervenção, foram planejadas ações nos eixos de Monitoramento e Avaliação, Organização e Gestão do Serviço, Engajamento Público e Qualificação da Prática Clínica, levando-se em consideração as necessidades da população do território de abrangência, a viabilidade de aplicação das ações e a expectativa de obtenção de resultados. Na unidade de saúde atualmente existem 250 hipertensos e 96 diabéticos com 20 anos ou mais. Com o objetivo de ampliar a cobertura de hipertensos e diabéticos, a meta de cobertura proposta foi de atingir 80% dos usuários hipertensos e 80% dos usuários diabéticos, após a intervenção foi possível alcançar a cobertura de 82% dos usuários hipertensos e 100% dos usuários diabéticos. Antes da intervenção as ações do programa centravam-se só na realização de consultas agendadas e não se trabalhava muito na prevenção. O projeto de intervenção dos hipertensos e diabéticos se baseou protocolos do Ministério da Saúde. Utilizando como critério de seleção os hipertensos e os diabéticos pertencentes à área adstrita da UBS, realizamos reuniões o grupo de trabalho da equipe, fomentando a apropriação do conhecimento sobre as metas. Também, procuramos desenvolver planejamentos das ações e distribuição das atribuições dos diversos profissionais. Foi possível melhorar a qualidade de atenção aos usuários hipertensos e diabéticos, melhorando a adesão de hipertensão arterial e ou diabetes mellitus ao programa e também se melhorou a promoção à saúde de hipertensos e diabéticos. A gestão municipal desde o princípio mostrou seu apoio para resolver os problemas ao decorrer da intervenção. Foi possível converter as ações desenvolvidas durante a intervenção como rotina na unidade de saúde, além de promover uma maior integração da equipe e um melhor vínculo com a comunidade de nosso município.

Melhoria da Atenção ao Programa de Prevenção e Detecção Precoce do Câncer de Colo de Útero e Mama na ESF Severiano Almeida, Severiano Almeida-RS

A alta incidência e mortalidade dos cânceres de colo de útero e mama na população feminina no Brasil justifica a implementação de estratégias, projetos, intervenções para um melhor controle através de ações de promoção, prevenção, tratamento, reabilitação e cuidados paliativos quando for necessário. A Atenção Básica constitui a porta de entrada do usuário ao Sistema Único de Saúde e de muita importância a implementação de estratégias para promover uma atenção integral no aspecto da saúde da mulher que garantem ações desenvolvidas na prevenção e controle do câncer de colo de útero e mama (BRASIL, 2013). Por tudo isto, foi desenvolvida uma intervenção na Unidade Básica de Saúde do município de Severiano de Almeida, estado Rio Grande do Sul, no período fevereiro a junho de 2015, com duração de 16 semanas no intuído de melhorar o programa de prevenção do câncer de colo de útero e mama na UBS. As mulheres entre 25-64 anos na área da abrangência da UBS são de 928 para, a prevenção de câncer de colo de útero e na faixa etária de 50-69 anos são de 357, para a prevenção de câncer de mama. Antes da intervenção as ações do programa centravam-se só na realização do exame citopatológico e não se trabalhava na prevenção. Com o objetivo de ampliar a cobertura a equipe planejou uma meta de 95%, mas diante das dificuldades deparadas não foi possível alcançar essa meta, já que ao final da intervenção 54,4% mulheres foram atendidas para a prevenção de câncer de colo de útero e 94,8% de mulheres atendidas para a prevenção de câncer de mama. A gestão municipal desde o princípio mostrou seu apoio para resolver os problemas ao decorrer da intervenção. Foi possível converter as ações desenvolvidas durante a intervenção como rotina na UBS, além de promover uma maior integração da equipe e um melhor vínculo com a comunidade de nosso município.