Techniques and facilities for neutron irradiation testing of power electronics devices

Il percorso dottorale ha avuto fin dal suo inizio il chiaro obbiettivo di formare una\nfigura altamente specializzata nell’ambito della ricerca industriale.\nTema centrale del percorso di dottorato è stato quello del test con neutroni di\ndispositivi elettronici di potenza. Tali dispositivi, oggi largamente impiegati nei\nsistemi per la generazione, trasporto e trasformazione dell’energia (PV Plants,\nWind Farms, Power Systems), rappresentano il fulcro dei moderni sistemi di\nelettronica di potenza e ne caratterizzano drasticamente l’affidabilità. I dispositivi\nelettronici di potenza, oltre ad essere soggetti alle normali sollecitazioni operative,\nsono sottoposti agli stress derivanti dall’ambiente in cui operano. Negli ultimi\ndecenni è divenuto sempre più rilevante l’effetto che i neutroni atmosferici hanno\nsu tali dispositivi (Single Event Effects, SEEs) e quanto tale effetto possa\ncompromettere irrimediabilmente il funzionamento dei dispositivi stessi e\nl’affidabilità dei sistemi in cui vengono impiegati.\nNell’ottica più ampia dettata dalla stipula del Protocollo di Kyoto (1997), che pone\nin primo piano la tematica dell’efficienza energetica nei settori più rilevanti nelle\neconomie nazionali, il tema dell’affidabilità dei sistemi di generazione,\ntrasformazione e trasporto dell’energia ricopre un ruolo fondamentale, e ha\nsostenuto e motivato il lavoro di studio e ricerca portato avanti nel percorso\ndottorale.\nIl triennio ha dunque visto l’avvicendarsi di periodi di studio e approfondimento\npersonale riguardo le tematiche trattate, la partecipazione a corsi, seminari e\nconvegni inerenti il tema dell’attività di ricerca, periodi di attività di progettazione\ne di sperimentazione, nonché l’attività di promozione dei risultati ottenuti.\nIl percorso dottorale può essere sostanzialmente suddiviso in due rami:\n Tecniche di test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza,\n Progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni. Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso\nha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei\nneutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai\ndispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli\nstandard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito\nuna migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei\ndispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione\ndelle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli\nobbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze\nacquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività\nsperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della\nricerca.\nSono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi\nPower MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di\nenergia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso\nl’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM\ndell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune\ncaratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento\nneutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno,\nrispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base\ndella progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti\nritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di\ndispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con\ncaratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero\nessere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività\nsperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di\nalimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi\ndi fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione.\nFissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea\nallo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso\nha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei\nneutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai\ndispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli\nstandard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito\nuna migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei\ndispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione\ndelle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli\nobbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze\nacquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività\nsperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della\nricerca.\nSono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi\nPower MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di\nenergia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso\nl’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM\ndell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune\ncaratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento\nneutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno,\nrispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base\ndella progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti\nritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di\ndispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con\ncaratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero\nessere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività\nsperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di\nalimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi\ndi fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione.\nFissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea\nallo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso\nha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei\nneutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai\ndispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli\nstandard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito\nuna migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei\ndispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione\ndelle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli\nobbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze\nacquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività\nsperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della\nricerca.\nSono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi\nPower MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di\nenergia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso\nl’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM\ndell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune\ncaratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento\nneutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno,\nrispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base\ndella progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti\nritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di\ndispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con\ncaratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero\nessere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività\nsperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di\nalimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi\ndi fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione.\nFissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea\nallo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso\nha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei\nneutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai\ndispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli\nstandard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito\nuna migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei\ndispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione\ndelle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli\nobbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze\nacquisite hanno dunque portato ad una progettazio