RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Alimentazione di potenza in ambiente ostile: applicazione ad esperimenti di fisica delle alte energie

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giovanni Busatto

Descrizione

L’unità di ricerca di Cassino è inserita nel presente progetto PRIN come team deputato a studiare soluzioni innovative per l’affidabilità alle alte dosi di radiazione dei dispositivi elettronici di potenza impiegati in circuiti alimentatori preposti ad operare in ambienti particolarmente ostili, tipici degli esperimenti di punta di fisica delle alte energie. In dettaglio, le condizioni più stringenti riguardano:
1. altissime dosi di radiazione, fino a 10MRad (MegaRad);
2. altissimi campi magnetici, fino a 2T (Tesla);
3. ridotta capacità di smaltimento del calore;
4. ridotta disponibilità di spazio;
5. ridotta disponibilità di peso, soprattutto relativamente al cablaggio elettrico;
6. elevatissima affidabilità.
Tali condizioni sono molto affini a quelle relative ai sistemi destinati all’ambito aerospaziale, in cui i convertitori preposti all’alimentazione elettrica possono dissipare poco calore, a causa della mancanza di convezione, sono soggetti a forti dosi di radiazione, in assenza dell’effetto schermante della ionosfera, il peso e l’ingombro sono determinanti per il lancio da terra e il sistema non è manutenibile.
Per questa ragione, L’Unità di Cassino, che da anni opera nel settore dell’affidabilità da radiazione dei dispositivi di potenza per applicazioni aerospaziali, risulta una candidata privilegiata a mettere a disposizione il proprio know-how per sviluppare i dispositivi necessari e/o individuare soluzioni a livello circuito e a livello sistema che garantiscano il raggiungimento delle specifiche di affidabilità da radiazione richieste.
Tali specifiche riguardano anche e soprattutto il resto del sistema convertitore. Infatti, la componentistica di driving del dispositivo di potenza, così come la logica di controllo dell’intero convertitore, devono risiedere a distanza molto ravvicinata dal dispositivo, per ragioni legate all’altissima frequenza di commutazione imposta dalle specifiche sui magnetici, che assoggetta gli stessi a intensità di radiazione pari a quelle del dispositivo stesso.
Sul fronte del’affidabilità alle radiazioni dei dispositivi di potenza, l’unità di Cassino proporrà soluzioni incrociate dispositivo/topologia volte a minimizzare la probabilità che, in corrispondenza dell’impatto, si verifichino condizioni pericolose (“immunità circuitale”). Verrà anche condotto uno studio sui tradizionali transistori bipolari, oggi superati dal punto di vista elettrico, ma molto promettenti per le applicazioni ad elevatissima dose di radiazioni perché realizzati senza ossidi, responsabili della rottura da SEGR. Successivamente, nel caso molto probabile che le soluzioni proposte abbiano innalzato l’immunità alle radiazioni a livelli superiori ma non ancora sufficienti per soddisfare le specifiche, l’unità di Cassino studierà gli effetti della schermatura con vari materiali e spessori, compatibilmente con i vincoli di peso e ingombro imposti da specifica. Tale studio sarà anche volto all’incremento di affidabilità dei sistemi driver e di controllo, su cui non è possibile intervenire altrimenti.
Segue un breve dettaglio dei tre filoni di attività.

A) IMMUNITÀ CIRCUITALE
L’esperienza dell’unità di Cassino, ampiamente suffragata dalla Letteratura del settore, vede la fase di vulnerabilità del dispositivo alle radiazioni, soprattutto sul SEB/SEGR, in corrispondenza dello stato di “OFF” in cui, cioè, il dispositivo è in condizioni di interruttore spento. Nello stato di “ON”, viceversa, in cui, cioè il dispositivo agisce da interruttore acceso, a causa delle ridotte tensioni ai suoi morsetti e, conseguentemente, dei ridotti campi elettrici interni, esso risulta praticamente immune al danno da radiazione.
La precedente osservazione schiude un nuovo filone di ricerca di sviluppo dello stato dell’arte nell’ambito della robustezza alle alte dosi di radiazione A LIVELLO SISTEMA. Infatti, se da un lato la fisica della materia limita intrinsecamente la possibilità per il dispositivo di subire dosi di radiazione superiori a un dato livello, dall’altro esistono svariate soluzioni circuitali che mantengono il dispositivo prevalentemente acceso (“ON”). Tali soluzioni, appartenenti alla più ampia famiglia dei convertitori risonanti, potrebbero consentire il drastico allargamento della robustezza alle radiazioni del dispositivo e, dunque, dell’intero convertitore, senza compromettere l’ottemperanza agli altri vincoli di progetto.

B) DISPOSITIVI BIPOLARI (OXIDELESS):
I transistori bipolari (Bipolar Junction Transistors – BJT) rappresentano un antenato storico e ampiamente superato con l’avvento dei dispositivi a gate isolata (MOSFET) che consentono il controllo della corrente commutata mediante un segnale elettrico di tensione ad impedenza relativamente alta. Nell’ambiente radiation hardened, però, la presenza di strati di ossido compromette molto severamente l’affidabilità del dispositivo, fino al punto che il declassamento delle prestazioni elettriche richiesto per aumentare l’affidabilità, potrebbe far tornare competitivo l’impiego del BJT. L’unità di Cassino indagherà questa soluzione, mediante irraggiamenti sperimentali su campioni messi a disposizione dal partner industriale storico STMicroelectronics.

C) SCHERMATURA
L’elevatissima esposizione alle radiazioni potrebbe rendere non sufficienti gli accorgimenti circuitali e di layout per raggiungere l’affidabilità richiesta. Inoltre, la presenza di circuiti driver integrati nei circuiti, sui quali non è possibile intervenire a livello di progetto, rende ancora vulnerabile il sistema nel suo complesso. Per queste ragioni, una volta consolidato l’optimum a livello di topologia e layout, è necessario indagare la possibilità di schermare mediante metalli o altri materiali per raggiungere le stringenti specifiche di resistenza alle radiazioni.

Le principali problematiche che ci si aspetta di incontrare sono legate al trade-off tra il miglioramento dell’affidabilità da radiazione e il non eccessivo peggioramento delle caratteristiche elettriche del dispositivo e del circuito in cui esso è inserito. E’ opportuno notare, infatti, che:
- non è possibile adottare dispositivi di tensione nominale (“derating”) arbitrariamente maggiore per diminuire la probabilità di danno, perché peggiorano significativamente le caratteristiche in conduzione;
- non è possibile agire arbitrariamente sui tempi di accensione e spegnimento, perché eccessivamente condizionanti il progetto elettrico dei convertitori da parte delle alte Sedi;
- è difficile, infine, adottare componenti passivi al contorno del dispositivo perché, soprattutto per il convertitore POL, che opera a frequenza di switch elevata, potrebbero costituire una penalizzazione inaccettabile dal punto di vista del’efficienza complessiva.
Per queste ragioni, l’unità operativa di Cassino dovrà effettuare, di concerto con le altre Sedi, reiterate prove sperimentali per identificare la soluzione di miglior compromesso tra tutte le stringenti specifiche del progetto.
L’attività di ricerca di questa Unità, pertanto, sarà articolata in numerose fasi, in cui sarà possibile e prevedibile effettuare più prove di irraggiamento:

1. concordate le specifiche definitive di affidabilità alle radiazioni dei due convertitori, identificazione delle classi di dispositivi adottabili, MOSFET e bipolari (oxideless);
2. indagini sperimentali e simulativa sui dispositivi eletti;
3. studio di soluzioni di schermatura, mediante irraggiamenti;
4. studio di topologie circuitali che minimizzino la probabilità di danno sul dispositivo (connessione serie, topologie risonanti, ecc.);
5. per la topologia a maggiore criticità (POL), confronto di dispositivi e soluzioni circuitali che massimizzino l’affidabilità;
6. Studio dei drivers possibilmente impiegabili nei convertitori ad alta resistenza alle radiazioni, anche mediante prove di irraggiamento.

E’ chiaro che, a parte le prime fasi di definizione di specifiche, l’attività dell’unità di Cassino è di natura prevalentemente sperimentale, essendo previste molteplici fasi operative che richiedono irraggiamenti con facilities di accelerazione di particelle.
Tali indagini verranno svolte presso le strutture scientifiche con cui l’unità di Cassino storicamente collabora: i Laboratori Nazionali del Sud (Catania) e i Laboratori Nazionali di Legnaro (Legnaro), entrambi dell’INFN, per lo studio sperimentale con irraggiamento con ioni pesanti, nonché con le facilities messe a disposizione dall’unità di Milano per l’irraggiamento con protoni e neutroni o gamma-rays.

Segue in dettaglio la descrizione delle fasi operative del programma di Unità (cfr. figura seguente).


T4.1 Analisi componenti (mesi 1-2)
Indagine su dispositivi MOSFET commerciali (COTS) e radiation hardened (rad-hard) eleggibili per le configurazioni topologiche da studiare. Indagini su dispositivi oxideless (bipolari) per l’altissima dose di radiazioni.

MILESTONE M4.1: identificazione della rosa di dispositivi eleggibili per le prove sperimentali di irraggiamento. La rosa scelta dipenderà soprattutto dalla reperibilità dei dispositivi non commerciali rad-hard e bipolari ottenibili dall’unità di Milano e dai partner industriali storici dell’unità di Cassino.

DELIVERABLE D4.1: rapporto interno con l’enumerazione dei dispositivi scelti e delle specifiche elettriche di tolleranza alla radiazione attese per ciascuno di essi.


T4.2 Irraggiamento e studio simulazioni su dispositivi rad-hard. Sistemi di schermatura (mesi 3-13)
a. Campagna di irraggiamento dei dispositivi scelti presso facilities di accelerazione di ioni pesanti con cui l’unità di Cassino ha rapporti continuativi. Irraggiamento con neutroni, protoni e gamma rays presso facilities messe a disposizione dall’unità di Milano.
b. Simulazioni a elementi finiti bi/tridimensionali (2D e 3D) dell’impatto di particelle sui dispositivi MOSFET e bipolari scelti nel task T4.1.
c. Campagna di irraggiamenti sull’effetto di diversi materiali e spessori di schermatura su dispositivi in esercizio.

MILESTONE M4.2: identificazione dei dispositivi da adottare per il convertitore primario e per il point-of-load, in funzione dei risultati congiunti degli irraggiamenti, delle simulazioni e delle prove di schermatura.

DELIVERABLE D4.2.1: rapporto interno sulle prove di irraggiamento svolte, ciascuna indicante il numero di campioni testati, le condizioni elettriche durante l’irraggiamento, e i grafici comparativi delle caratteristiche prima e dopo l’irraggiamento.

DELIVERABLE D4.2.2: rapporto interno sulle simulazioni 2D e 3D, corredato di diagrammi comparativi prima/dopo l’impatto, sia su strutture MOSFET che su strutture bipolari, di geometria di cella e layout comparabile con quella dei dispositivi scelti per l’irraggiamento.

DELIVERABLE D4.2.3: rapporto interno sugli effetti dell’aumento dell’affidabilità di dispositivi campione (MOSFET o bipolari) per beneficio della schermatura con almeno 3 materiali e 5 spessori per ciascun materiale.

DELIVERABLE D4.2.4: integrazione del rapporto interno di cui al task T4.1 con le caratteristiche di tolleranza alla radiazione, ottenute dall’incrocio delle simulazioni e dei dati di irraggiamento, sui dispositivi scelti per la realizzazione dei convertitori del progetto.


T4.3 Studio di soluzioni circuitali per elevate dosi di radiazione (mesi 14-18)
La soluzione rad-hard, MOSFET o bipolare, da sola, può non riuscire a garantire i requisiti di affidabilità richiesti dal progetto, specialmente per il convertitore POL, soggetto a dosi di un ordine di grandezza superiori al convertitore primario. In questo task verranno studiate soluzioni circuitali, tra cui certamente le semirisonanti e la serie di dispositivi, in grado di aumentare la robustezza del dispositivo.

MILESTONE M4.3: individuazione e test sperimentale di parti di circuito di potenza (serie, risonanti) alla radiazione.

DELIVERABLE D4.3.1: rapporto interno riportante le soluzioni circuitali analizzate, almeno una risonante e una in serie, corredato di risultati sperimentali comparativi sull’affidabilità da radiazioni.

DELIVERABLE D4.3.2: almeno due PCB (schede stampate) di potenza, una per la connessione in serie e una per la risonante, per l’irraggiamento dei dispositivi in tali circuiti.


T4.4 Test di radiazione nei driver e componenti su piattaforme circuitali ad-hoc (mesi 19-24)L’interazione con il driver del dispositivo, soprattutto se MOSFET può essere il punto debole del sistema. La polarizzazione di gate, infatti, può influire molto significativamente sull’affidabilità degli ossidi alle radiazioni.

MILESTONE M4.4: irraggiamenti su schede ad-hoc driver/dispositivo/Circuito di potenza, al fine di sondare la robustezza dei driver e del gruppo dispositivo nel suo complesso.

DELIVERABLE D4.4.1: sviluppo di almeno una piattaforma circuitale (PCB) ad-hoc che alloggi, in funzionamento, il driver, il dispositivo MOSFET e il circuito di potenza.

DELIVERABLE D4.4.2: rapporto interno sull’esito degli irraggiamenti sulle piattaforme circuitali ad-hoc, che evidenzi le eventuali debolezze ancora presenti nel sistema driver/dispositivo/circuito.