Progettazione Meccanica di un Convertitore ad Alta Densità di Potenza - Analisi FEM e Studio Vibrazionale = Mechanical Design of a High Power Density Converter - FEM Analysis and Vibration Analysis

Il seguente lavoro di tesi propone una metodologia per progettare strutture e fissaggi meccanici di componenti elettronici al fine di soddisfare i requisiti vibrazionali imposti dalle normative vigenti. L’azienda promotrice della tesi ha intrapreso alcuni progetti per lo sviluppo di caricatori bidirezionali per batterie e convertitori DC/DC di bordo per veicoli, che adattano l’uscita DC a 400 V delle stazioni di ricarica, ai 800 V DC delle batterie. Nell’elaborato l’attenzione è rivolta al design di uno dei moduli costituenti un convertitore ad alta potenza, un modulo AFE. Si propone quindi una metodologia che abbia come scopo la definizione di un know-how aziendale distintivo ed innovativo, capace di discernere ed allo stesso tempo integrare la meccanica e l’elettronica di dispositivi richiesti sul mercato dell’E-mobility, supportando innovazione e ricerca. Il lavoro si serve di un software FEM strutturale, Ansys Mechanical, in grado di cogliere gli output desiderati previa inserimento di opportuni input. Le sollecitazioni vibrazionali possono indurre guasti prematuri, rottura delle connessioni saldate o danneggiamento delle piste conduttive, influendo negativamente sulle prestazioni complessive. Per un adeguato design ed ottimizzazione strutturale, è bene considerare i valori di resistenza a rottura ed a snervamento del PCB nel caso statico, mentre nel caso dinamico si fa riferimento a valori di buone pratiche progettuali osservabili in letteratura. La risposta dinamica del PCB è stata analizzata dall’applicazione di un’eccitazione randomica che segue il profilo vibrazionale indicato da normativa (DEF STAN 00-035), espresso in termini di acceleration g. L’analisi si serve di opportune assunzioni che portino alla definizione di un modello semplificato, ma il cui comportamento sia vicino a quello reale. Ciò è quanto prevede la progettazione CAE, ossia adottare un modello semplice ma comunque valido, che risulti essere un buon compromesso computazionale. Si considera un modello i cui componenti sono rappresentati da masse concentrate, mentre la rigidezza dei componenti è imposta arbitrariamente poiché non di interesse pratico; così come le connessioni non prevedono la definizione di PIN, le cui dimensioni pregiudicherebbero il livello di discretizzazione, quindi il tempo computazionale; si impiegano quindi delle similitudini virtuali sia per le connessioni che per i contatti, migliorando iterativamente il set up del modello. L’analisi segue quindi i capisaldi della teoria FEM, secondo un’adeguata modellazione e discretizzazione. Anche la fase di post-processing necessita di un’accurata e critica interpretazione dei risultati; si apportano, se necessario, delle modifiche del layout, quali numero e posizione di vincoli o introduzione di elementi ausiliari volti ad irrigidire la struttura. Una prima valutazione critica interessa il pacco induttanze, i cui pesi gravano notevolmente sulla struttura, come riflettono le mappe di tensione e di deformazione; il processo di ottimizzazione mira quindi a scaricare le tensioni ove possibile, rilassando la piastra mediante l’inserimento di vincoli o rinforzi, così da ottenere degli stati tensionali e di deformazione ammissibili. Si conclude affermando che la metodologia proposta fornisce indicazioni utili per la progettazione strutturale di sistemi elettronici come quello considerato, dimostrandosi efficace mediante un approccio ingegneristico rigoroso, coerente e valido.