ECTS - University of Pisa
Gli studenti acquisiranno i concetti di base dell'elettronica di potenza e di controllo, in modo da poter scegliere la soluzione più appropriata per il controllo della potenza e per la progettazione di circuiti di potenza e di sistemi di controllo della potenza.
Conoscenza dei sistemi di accumulo energetici basati su chimica agli ioni di litio, con particolare attenzione ai requisiti delle applicazioni per mobilità sostenibile.
Conoscenza dei sistemi elettronici per il pilotaggio e il controllo dei più comuni motori elettrici.
Students are expected to acquire the main concepts of power and control electronics, in order to choose the most appropriate solution for power control and for the design of power supplies and power control systems
Knowledge of energy storage systems based on lithium ions, with reference to the requirements of sustainable mobility. Knowledge of electronic systems for driving and controlling electric motors.
Progettare un convertitore DC-DC switching con induttore, a condensatori commutati o risonante.
Progettare un invertitore di potenza, un raddrizzatore o un cicloconvertitore.
Saper scegliere i dispositivi elettronici di potenza adeguati al progetto da realizzare.
Progettare e simulare il sistema di controllo.
Progettare un sistema di accumulo energetico. Individuare i parametri principali da monitorare per implementare le funzioni di sicurezza. Individuare l'architettura più adatta all'applicazione e le caratteristiche principali del sistema di monitoraggio e controllo della batteria.
Definire l'architettura del sistema di pilotaggio di un motore elettrico dalle caratteristiche assegnate e individuare le possibili soluzioni circuitali.
Design a switching DC-DC converter based on inductors, switched capacitors, or resonant architecture.
Design a power inverter, a rectifier or a cycloconverter
Choose the proper power electron devices for the project at hand
Design and simulate the control system.
Design an energy storage system. Define the main parameters to monitor to implement safety functions. Define the most appropriate architecture for the application and the main properties of the battery monitoring and control system.
Define the architecture of an electric motor driving system given the specifications and identify the possible circuit solutions.
Valutazione del livello di comprensione raggiunto durante il colloquio.
Assessment of the achieved level of comprehension during the interview
Il corso viene svolto in modo tradizionale, con lezioni frontali ed esercitazioni proposte dal docente alla lavagna (fisica o virtuale) o con presentazioni.
I materiali del corso sono disponibili su MS teams, i video delle lezioni sono disponibili su MS Teams. Una pagina del corso con il programma dettagliato e il link ai materiali è mantenuta sul sito del docente titolare.
Il conseguimento degli obiettivi formativi si ottiene con la partecipazione attiva dello studente, al quale è richiesta una buona dose di studio e riflessione autonoma.
The class is taught in a traditional way, with lectures and recitations given at the blackboard (physical or virtual) and with presentations.
Course material is available on MS Teams, video lectures are available on MS Teams. A course webpage with the detailed syllabus and the links to course material is maintained on the website of the main instructor.
Architetture dei convertitori DC-DC
Caratteristiche di un sistema di elettronica di potenza. Convertitori switching con induttore in modalità di conduzione continua: Buck, boost, buck-boost, Cuk, full bridge. Modello del trasformatore in continua e valutazione delle perdite nei convertitori di potenza. Convertitori switching in modalità di conduzione discontinua. Manipolazioni circuitali per generare architetture di convertitori. Modelli dei convertitori in AC per il piccolo segnale. Modello del convertitore ad anello chiuso e forma canonica dei convertitori. Convertitori DC-DC basati su condensatori commutati. Convertitori risonanti. Soft switching.
Controllo e progettazione di convertitori DC-DC
Teoria dei controllori PID. Progettazione del controllore e considerazioni sul fattore di reazione per la stabilità e altre specifiche del progetto. Esempio di progettazione di un convertitore di potenza a condensatori commutati. Analisi con Matlab e simulink della progettazione di un convertitore a condensatori commutati. Progettazione di un convertitore buck con controllo.
Dispositivi e tecnologie per l'elettronica di potenza
Caratteristiche distintive dei dispositivi di potenza. Struttura e funzionamento di diodo di potenza, transistore bipolare di potenza, MOSFET di potenza, tiristore, GTO, IGBT, MCT. Semiconduttori alternativi per dispositivi di potenza (nitruro di gallio e carburo di silicio). Processi tecnologici per circuiti integrati di potenza.
Raddrizzatori e invertitori
Raddrizzatori: fondamentali, raddrizzatori a frequenza di linea, raddrizzatori moderni
Inverter: fondamentali, invertitore PWM, full bridge in funzionamento unipolare e bipolare
Gestione di batterie al litio.
Fondamenti sui sistemi di accumulo di nuova generazione e di grande formato. Parametri descrittivi, architettura, misure, controllo e gestione. Funzionalità di un BMS (battery management system). Comunicazioni. Modellistica. Bilanciamento. Stime di stato di carica e di salute. Sicurezza.
Sistemi per il pilotaggio di motori elettrici.
Il sistema azionamento, componenti, caratteristiche. Sistemi di pilotaggio per motori in continua. Sistemi per motori in alternata, asincroni e sincroni. Topologie circuitali. Cenni al controllo vettoriale.
Architectures of DC-DC converters
Features of a power electronics systems. Switching DC-DC converters with inductors in continuous current mode: Buck, boost, buck-boost, Cuk, full bridge. DC transformer model and assessment of power converter loss. Switching converters in discontinuous current mode. Circuit manipulations for generating converter architectures. AC small signal models of converters. Closed-loop converter models and canonical forms of converters. DC-DC converters based on switched capacitors. Resonant Converters. Soft switching.
Control and design of DC-DC converters
Theory of PID converters. Converter design and considerations on the feedback for stability and other design specifications. Example of switching converter design. Analysis with Matlab and Simulink of the design of a switched capacitor converter. Design of a buck converter with control.
Power electron devices and technologies
Characteristics of power devices and principle of operation. Structure and operation of power diodes, power BJTs, power MOSFETs, thyristors, GTOs, IGBTs, MCTs. Alternative semiconductors for power devices (gallium nitride and silicon carbide). Semiconductor technology for power integrated circuits.
Rectifiers and inverters
Rectifiers: fundamentals, line frequency rectifiers, modern rectifiers.
Inverters: fundamentals, PWM inverter, unipolar and bipolar operation of a full bridge.
Management of Lithium batteries
Fundamentals of new generation and large storage systems. Descriptive parameters, architecture, measurement, control and management. Functionalities of a BMS (battery management system). Communications. Models. Balancing. Estimation of charging level and health. Safety.
Driving systems for Electric motor
Driving system characteristics and components. Drivers for DC motors. Driving systems for AC synchronous and asynchronous motors. Circuit topologies. Vector control.
R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Third Edition, Springer, 2020
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, third Edition, Wiley, 2002.
Phillip Weicker, Lithium-Ion Battery Management, Artech House 2014.
Stefanos N.Manias, Power Electronics and Motor Drive Systems; Introduction to Motor Drive Systems - pages 843-967, Elsevier 2017.
R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Third Edition, Springer, 2020
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, third Edition, Wiley, 2002.
Phillip Weicker, Lithium-Ion Battery Management, Artech House 2014.
Stefanos N.Manias, Power Electronics and Motor Drive Systems; Introduction to Motor Drive Systems - pages 843-967, Elsevier 2017.
Saranno disponibili le registrazioni delle lezioni (nel caso di lezioni svolte in modalità a distanza o ibrida), oltre al materiale di supporto predisposto dal docente.
Video lectures and class notes will be available.
Prova scritta e Colloquio orale.
Le modalità d'esame potranno essere modificate se l'emergenza COVID persisterà.
Written exam and Interview.
Assessment methods could be modified if the COVID emergency will persist.
