View syllabus
POWER AND CONTROL ELECTRONICS
GIUSEPPE IANNACCONE
Academic year2023/24
CourseELECTRONIC ENGINEERING
Code1007I
Credits9
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
ELETTRONICA DI POTENZA E DI CONTROLLOING-INF/01LEZIONI90
GIUSEPPE IANNACCONE unimap
ROBERTO RONCELLA unimap
SEBASTIANO STRANGIO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

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.

Knowledge

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.

Modalità di verifica delle conoscenze
  • Prova scritta e prova orale con discussione di un progetto assegnato in classe.
  • A causa dell'emergenza COVID le modalità di esame potranno essere modificate.
Assessment criteria of knowledge
  • Written test, interview and discussion of a project work assigned in class
  • Due to the COVID emergency, the exam procedure could be modified.
Capacità

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.

 

Skills

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.

Modalità di verifica delle capacità
  • Svolgimento di esercizi durante l'esame.
  • Discussione del progetto svolto per l'esame.
  • Discussione dei criteri di progettazione durante la prova orale.

 

Assessment criteria of skills
  • Execution of exercises during the exam
  • Discussion of the design done for the exam
  • Discussion of the design criteria during the interview
Comportamenti
  • Normale frequenza alle lezioni (in presenza o a distanza).
  • Studio personale per la comprensione e l'approfondimento dei concetti proposti.
  • Esercitazioni svolte autonomamente per la verifica della comprensione dei flussi di progetto proposti.
  • Svolgimento del progetto in modo autonomo o in collaborazione 
Behaviors
  • Lecture attendance (in presence or remote)
  • Personal study for the comprehension of the proposed concepts.
  • Autonomous exercise execution to verify the understanding of the proposed design flows.
  • Execution of the design exercise autonomously or in collaboration.
Modalità di verifica dei comportamenti

Valutazione del livello di comprensione raggiunto durante il colloquio.

Assessment criteria of behaviors

Assessment of the achieved level of comprehension during the interview

Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Teoria dei circuiti
  • Elettronica 
  • Dispositivi Elettronici
  • Teoria dei segnali
  • Teoria dei sistemi
Prerequisites
  • Circuit Theory
  • Electronics
  • Electron devices
  • Signal theory
  • Systems theory
Indicazioni metodologiche

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.

Teaching methods

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.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

 

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.

Syllabus

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.

Bibliografia e materiale didattico

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.

Bibliography

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.

Indicazioni per non frequentanti

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.

Non-attending students info

Video lectures and class notes will be available.

Modalità d'esame

Prova scritta e Colloquio orale.

Le modalità d'esame potranno essere modificate se l'emergenza COVID persisterà.

 

Assessment methods

Written exam and Interview.

Assessment methods could be modified if the COVID emergency will persist.

Updated: 04/11/2023 21:58