Studio teorico e pratico delle architetture dei filtri attivi EMI per la minimizzazione delle emissioni elettromagnetiche nei convertitori DC/DC switching = Theoretical and Practical investigation of active EMI filter architectures to minimize electromagnetic emission in switching DC/DC converters

I convertitori switching DC/DC rivestono un ruolo fondamentale nell'industria elettronica odierna. A differenza dei regolatori di tensione di tipo lineare, i quali, regolano una tensione di uscita desiderata a partire da una data tensione di ingresso dissipando livelli di potenza non trascurabili, i convertitori di tipo switching si distinguono per il loro metodo di conversione di potenza particolarmente efficiente. Le architetture di quest'ultimi infatti, comprendono sia elementi reattivi che dispositivi di potenza pilotati esclusivamente in regioni di funzionamento caratterizzate da perdite trascurabili, permettendo un notevole risparmio di potenza dissipata e, quindi, dei costi. Il loro principio di funzionamento, tuttavia, è basato sulla presenza di segnali caratterizzati da commutazioni ad elevata frequenza ed ampiezza tali da generare disturbi che influenzano non solo i dispositivi presenti nelle dirette vicinanze ma che interferiscono anche con il comportamento del dispositivo stesso. Da qui nasce la disciplina della compatibilità elettromagnetica, avente come fine ultimo quello di garantire il corretto funzionamento di più apparati elettronici presenti nel medesimo ambiente. Tale argomento è stato, a più riprese nel tempo, oggetto di studio, portando alla proposta di nuovi metodi di progettazione volti a ridurre la produzione di disturbi e allo sviluppo di tecniche che possano mitigare l'effetto che tali interferenze possono avere. Una possibile soluzione risiede nell'introduzione dei filtri passivi le cui caratteristiche dipendono dal target di attenuazione desiderata. Se però da un canto, tali filtri passivi risultano essere una facile soluzione, questo implica al tempo stesso l'inserimento di elementi passivi i quali richiedono un aumento di area per nulla trascurabile. Pertanto un'innovativa tecnica consiste nell'utilizzo di filtri attivi i quali emulano il comportamento di quelli passivi, consentendo però di integrare la parte attiva degli elementi che li costituiscono, portando ad una riduzione dell'area complessiva necessaria. Questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con STMicroeletronics, si propone lo studio teorico e pratico dell'implementazione e dell'utilizzo di un filtro attivo volto a mitigare i disturbi di un convertitore DC/DC di tipo Buck. Inizialmente viene proposta un'introduzione sul problema della compatibilità elettromagnetica, seguita poi da una trattazione sui filtri passivi e attivi di cui verrà proposto un esempio di utilizzo presente all'interno di un dispositivo commerciale. Tale introduzione si rende necessaria per permettere, in un secondo momento, un'analisi e un confronto tra la topologia di filtro passivo scelta ed il corrispondente filtro attivo, utilizzando l'ambiente di simulazione SIMetrix/SIMPLIS. Viene quindi effettuata la caratterizzazione del filtro attivo presente all'interno di un modello Pspice del dispositivo commerciale citato pocanzi, derivandone un modello circuitale equivalente. A seguire, vengono proposti i risultati derivanti da una campagna di misure sperimentali eseguite sulla scheda di valutazione avente a bordo il dispositivo in analisi, effettuate tramite l'utilizzo di un Network Analyzer. Infine, viene proposta una possibile realizzazione di un filtro attivo volto a mitigare i disturbi del convertitore buck L6981, fornito da STMicroeletronics, mostrandone il flusso di progetto, lo schematico e realizzando infine il relativo circuito stampato tramite l'utilizzo dell'ambiente di progettazione KICAD