INFN – Padova 1

APOLLO: Alimentatori APOLLO: Alimentatori di Potenza per aLti di Potenza per aLti

Livelli di radiaziOneLivelli di radiaziOne

APOLLO: Alimentatori APOLLO: Alimentatori di Potenza per aLti di Potenza per aLti

Livelli di radiaziOneLivelli di radiaziOne

Presentatore: prof. Giorgio SpiazziDipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Presentatore: prof. Giorgio SpiazziDipartimento di Ingegneria dell’Informazione

INFN – Padova 2

Gruppi coinvoltiGruppi coinvolti

• INFN Padova:

• Paccagnella alessandro (responsabile) – 40%

• Gerardin Simone (ric/prof università) – <100%

• Tenti Paolo (ric/prof università) – 100%

• Spiazzi Giorgio (ric/prof università) – 100%

• Costabeber Alessandro (dottorando) – 100%

• Sichirollo Francesco (dottorando) – 100%

• Stellini Marco (tecnico) – 100%

INFN – Padova 3

Gruppi coinvoltiGruppi coinvolti

• INFN Roma:• Beccaro Stefania (responsabile) – 50%• Iannuzzo Francesco (ric/prof università) – 100%• Sanseverino Annunziata (ric/prof università) – 100%

• INFN Milano:• Riva Marco (responsabile) – 70%• Citterio Mauro (INFN) – 20%• Maranesi Piergiuseppe (ric/prof università) – 100%• Della Giustina Davide (dottorando) – 100%• Belloni Federico (assegnista) – 100%

• INFN Pavia:• Lanza Agostino (responsabile locale e nazionale) –

40%• Cova Paolo (ric/prof università) – 100%• Menozzi Roberto (ric/prof università) – 100%• Bernardoni Mirko (dottorando) – 100%

INFN – Padova 4

MotivazioniMotivazioni

• I sistemi di alimentazione per rivelatori a maggior consumo di corrente, quali calorimetri e muoni, richiedono l’installazioni di alimentatori dedicati all’interno della caverna sperimentale, ad una distanza compatibile con le specifiche di alta efficienza totale dei sistemi.

• Lo sviluppo di alimentatori in grado di operare in ambiente “ostile” richiede tempi lunghi tra fase di progetto e reale disponibilità sul campo (circa 10 anni).

• I sistemi di alimentazione attualmente installati sono qualificati per un’operatività di 10 anni di esposizione ai livelli di radiazione simulati: dovranno essere sostituiti per il run successivo all’upgrade ad una maggiore luminosità di LHC prevista per il decennio 2020-2030.

INFN – Padova 5

MotivazioniMotivazioni

• L’aumento dei carichi previsti dall’upgrade di LHC richiede un “ripensamento” dei sistemi di alimentazione volto ad aumentarne l’efficienza ed a ridurne l’ingombro Esempio: alimentatore calorimetri attuale

INFN – Padova 6

MotivazioniMotivazioni

Esempio: alimentatore calorimetri attuale

INFN – Padova 7

ObiettiviObiettivi

• Definizione delle specifiche dettagliate di sistemi di alimentazione di bassa tensione utilizzabili dai calorimetri Lar e dai rivelatori di muoni di ATLAS per l’upgrade a luminosità di 4-6 x 1034 cm-2s-1, previsto per il 2019-2020

NOTA: le richieste di ATLAS in termini di tolleranza alle radiazioni e al campo magnetico sono generalmente simili o superiori a quelle degli altri esperimenti, ma chiaramente lo

sviluppo di topologie e la selezione di componentistica adeguata e’ di interesse generale per tutti gli esperimenti ad

LHC

INFN – Padova 8

Linee di sviluppo - 1Linee di sviluppo - 1

• Studio e scelta dei dispositivi semiconduttori critici da implementare nei sistemi, partendo dai risultati ottenuti con il PRIN 2007 e utilizzando anche nuove tecnologie che stanno emergendo, come i GaN.

• Studio e caratterizzazione di induttori ad alta frequenza di tipo coreless per i convertitori secondari.

• Progettazione, costruzione e verifica funzionale di un convertitore DC/DC primario isolato alimentato a 280 Vdc.

INFN – Padova 9

Linee di sviluppo - 2Linee di sviluppo - 2

• Progettazione, costruzione e verifica funzionale di convertitori DC/DC secondari non isolati di tipo POL, sia

coreless/inductorless che tradizionali.• Sviluppo di strutture dissipative per i suddetti

convertitori e caratterizzazione delle prestazioni termiche dei convertitori primari

e secondari.• Caratterizzazione della compatibilita’

elettromagnetica e del rumore coerente dei prototipi realizzati.

INFN – Padova 10

Alimentazioni distribuiteAlimentazioni distribuite

POL

POL

POL

280 VDC

DC/DC IBC

POL

POL

POLIBC

DC

48V10%

Regulated DC Regulated DC bus voltagebus voltage

Intermediate Intermediate bus voltagebus voltage

12V10%

Unregulated Unregulated Intermediate Bus Intermediate Bus

ConverterConverter POLPOL = Point Of Load converter

INFN – Padova 11

Alimentazioni distribuiteAlimentazioni distribuite

POL

POL

POL

280 VDC

DC/DC

POL

POL

POL

Isolated Main Isolated Main ConverterConverter

DC

12V5%

Regulated DC Regulated DC bus voltagebus voltage

INFN – Padova 12

Alimentazioni distribuiteAlimentazioni distribuite

POL

POL

POL

280 VDC

DC/DC

POL

POL

POL

DC

48V5%

Regulated DC Regulated DC bus voltagebus voltage

Isolated Main Isolated Main ConverterConverter

High step-down ratio High step-down ratio POL ConvertersPOL Converters

INFN – Padova 13

Attività Padova (Elettronica di Potenza)Attività Padova (Elettronica di Potenza)

L'attività di ricerca proposta è volta allo studio di convertitori cc-cc di tipo Point of Load (POL) non

isolati, aventi le seguenti caratteristiche:

1. capacità di operare in un ambiente con elevata dose di radiazione ionizzante (rad-hard);

2. capacità di operare in presenza di una campo magnetico statico molto elevato che può andare da qualche decina di milli Tesla fino al Tesla;

3. elevato rapporto di riduzione della tensione in modo da realizzare basse tensioni di uscita a partire da una elevata tensione di ingresso;

1. capacità di operare in un ambiente con elevata dose di radiazione ionizzante (rad-hard);

2. capacità di operare in presenza di una campo magnetico statico molto elevato che può andare da qualche decina di milli Tesla fino al Tesla;

3. elevato rapporto di riduzione della tensione in modo da realizzare basse tensioni di uscita a partire da una elevata tensione di ingresso;

INFN – Padova 14

Attività Padova (Elettronica di Potenza)Attività Padova (Elettronica di Potenza)

4. minimi volume e massa;

5. elevata efficienza per la limitazione della dissipazione termica e, in generale, elevato controllo del sistema termico;

6. basso livello di interferenza elettromagnetica prodotta;

7. elevata affidabilità.

4. minimi volume e massa;

5. elevata efficienza per la limitazione della dissipazione termica e, in generale, elevato controllo del sistema termico;

6. basso livello di interferenza elettromagnetica prodotta;

7. elevata affidabilità.

L'attività di ricerca proposta è volta allo studio di convertitori cc-cc di tipo Point of Load (POL) non

isolati, aventi le seguenti caratteristiche:

INFN – Padova 15

Attività Padova (Elettronica di Potenza)Attività Padova (Elettronica di Potenza)

L'attività di ricerca si svolgerà secondo tre filoni principali:

1. Studio di soluzioni topologiche alternative alla classica configurazione step-down (Buck) capaci di lavorare ad elevata frequenza di commutazione in modo da utilizzare induttori privi di nucleo magnetico (coreless);

2. soluzioni aventi un elevato rapporto di riduzione della tensione (high step-down ratio), in modo da innalzare la tensione di alimentazione d’ingresso e aumentare così la potenza distribuita;

3. Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di tipo enhancement mode;

1. Studio di soluzioni topologiche alternative alla classica configurazione step-down (Buck) capaci di lavorare ad elevata frequenza di commutazione in modo da utilizzare induttori privi di nucleo magnetico (coreless);

2. soluzioni aventi un elevato rapporto di riduzione della tensione (high step-down ratio), in modo da innalzare la tensione di alimentazione d’ingresso e aumentare così la potenza distribuita;

3. Utilizzo di dispositivi di potenza HEMT in GaN di tipo enhancement mode;

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Attività Padova (Microelettronica)Attività Padova (Microelettronica)

Individuazione dei componenti più adatti allo sviluppo del convertitore cc-cc POL dal punto

di vista della tolleranza alla radiazione ionizzante1. Valutazione degli effetti cumulativi dovuti alla

radiazione ionizzante (dose totale e danno da displacement);

2. Test di MOSFET di potenza in diverse condizioni di lavoro;

3. Analisi delle possibili interazioni tra i fenomeni di dose totale e quelli di evento singolo

4. Test di dispositivi di potenza GaN HEMT

5. Test sul convertitore completo

1. Valutazione degli effetti cumulativi dovuti alla radiazione ionizzante (dose totale e danno da displacement);

2. Test di MOSFET di potenza in diverse condizioni di lavoro;

3. Analisi delle possibili interazioni tra i fenomeni di dose totale e quelli di evento singolo

4. Test di dispositivi di potenza GaN HEMT

5. Test sul convertitore completo

INFN – Padova 17

Richiesta finanziariaRichiesta finanziariaCapitolo   2011 2012 2013

Inventariabile

Generatore di forme d'onda arbitrarie € 12,000.00    

Carico attivo per test dinamico di convertitori point of load   € 7,000.00  

Camera termica € 12,000.00    

Sonde di corrente   € 3,000.00  

Accessori per test EMC   € 3,000.00  

Materiale di consumo

Componentistica per realizzazione prototipi e irraggiamento € 7,000.00 € 8,000.00 € 3,000.00

Realizzazione PCB multistrato € 3,000.00 € 5,000.00 € 5,000.00

Realizzazione PCB con tecnologia IMS   € 4,000.00 € 5,000.00

Componenti di potenza GaN € 1,000.00    

Realizzazione banco di misura per disturbi condotti     € 2,000.00

Realizzazione circuiti di test per irraggiamento componenti € 5,000.00 € 5,000.00 € 2,000.00

Missioni interneRiunioni di collaborazione € 6,000.00 € 6,000.00 € 6,000.00

Partecipazione ad irraggiamenti (2+2+2 settimane) € 2,000.00 € 2,000.00 € 2,000.00

Missioni esternePartecipazione a conferenze € 3,000.00 € 3,000.00 € 3,000.00

Part. a irraggiamenti (Uppsala e/o CERN, 2 settimane)     € 2,000.00

Licenze software PLECS (simulazione) € 3,000.00    

Assistenza informatica e manutenzione software     € 1,000.00 € 1,000.00

Totale per anno:   € 54,000.00 € 47,000.00 € 31,000.00

Totale: € 132,000.00

INFN – Padova 18

Richiesta servizi di sezioneRichiesta servizi di sezione

Servizio elettronicoServizio meccanico

2 mesi/uomo2 settimane/uomo

2011 2012 20131 mese/uomo

1 settimana/uomo1 mese/uomo

2 settimane/uomo

Attività principali:

1. Realizzazione di circuiti stampati.2. Realizzazione di circuiti di test per

l’irraggiamento di sistemi e componenti.

1. Realizzazione di circuiti stampati.2. Realizzazione di circuiti di test per

l’irraggiamento di sistemi e componenti.