Progetto di un filtro attivo integrato su silicio per la riduzione delle emissioni condotte dei circuiti di potenza = Design of an active filter integrated on silicon to reduce conducted emission of power circuits

Negli ultimi anni, l’introduzione di semiconduttori a wide bandgap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) nei convertitori di potenza ha portato a significativi miglioramenti rispetto ai dispositivi tradizionali basati su silicio. Questi nuovi transistor consentono una riduzione delle perdite di commutazione e conduzione, un aumento della densità di potenza, migliorando l’efficienza dell’azionamento elettrico. Tuttavia, l’innalzamento delle frequenze di commutazione, reso possibile dai dispositivi SiC e GaN, ha ampliato la banda delle interferenze elettromagnetiche (EMI) generate a causa delle rapide variazioni di tensione (dV/dt). L’incremento delle frequenze di commutazione ha spostato le prime armoniche con ampiezza maggiore nella banda [150 KHz - 1 MHz], richiedendo un miglioramento delle prestazioni dei filtri EMI. In risposta a questa sfida, la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di filtri EMI ibridi, costituiti da stadi attivi e passivi, con l’obiettivo di incrementare l’attenuazione dei disturbi su una banda fino a 108 MHz, riducendo al contempo volume e peso, e garantendo il rispetto delle normative EMI. Tuttavia, l’implementazione di stadi attivi nelle applicazioni ad alta potenza richiede un disaccoppiamento tra il circuito a bassa tensione e la parte di potenza, preservando buone prestazioni in frequenza. A differenza di applicazioni a bassa tensione dove vengono usati anche induttori accoppiati, la ricerca si è concentrata sull’uso di amplificatori di capacità per la riduzione delle dimensioni dei condensatori e sulla correzione attiva dei parassiti che limitano le prestazioni in frequenza dei componenti passivi. Nonostante il consumo energetico aggiuntivo richiesto dal circuito attivo, questo approccio consente incremento della densità di potenza. Il presente progetto è incentrato sullo studio e lo sviluppo di un filtro attivo, implementato sia con componenti discreti che in versione integrata. Nella fase introduttiva, viene esaminato lo stato dell’arte dei filtri passivi e attivi, con un approfondimento sui dispositivi a commutazione e i disturbi introdotti. Dopo aver analizzato le principali topologie circuitali dei filtri attivi, viene presentata la soluzione proposta per l’applicazione di riferimento. Come punto di partenza, viene realizzato un filtro passivo per valutare le prestazioni preliminari. Nei capitoli quattro e cinque, vengono descritti i flussi di progetto per la realizzazione delle due versioni del filtro attivo. Infine, le prestazioni delle soluzioni discrete e integrate vengono confrontate e valutate.