Progettazione di un sistema di filtraggio per convertitore boost ad alta densità di potenza per sistemi a fuell cell

Abstract

Il presente lavoro di tesi illustra la progettazione, l'ottimizzazione del layout e la validazione sperimentale di un convertitore DC/DC Boost interleaved a due gambe destinato all'interfacciamento tra uno stack di celle a combustibile a idrogeno (PEMFC) e la batteria dell'imbarcazione da competizione del Team UniGe Elettra. L'integrazione di generatori elettrochimici in ambito nautico impone severi vincoli di densità volumetrica e richiede una rigorosa attenuazione del ripple di corrente in ingresso, la cui presenza comporta perdite termiche aggiuntive e un rapido degrado delle membrane catalitiche dello stack. Per rispondere a tali requisiti, è stata sviluppata un'architettura integrata, suddivisa fisicamente tra una scheda di potenza e uno stadio superiore di filtraggio passivo LC dedicato. Il circuito stampato a 4 layer della scheda di filtraggio è stato ingegnerizzato con piani in rame da 70 µm e matrici di vias secondo standard IPC per minimizzare le impedenze parassite e favorire la dissipazione termica. I test di laboratorio hanno confermato la corrispondenza con i modelli analitici: le acquisizioni all'oscilloscopio hanno attestato il perfetto riscontro dell'ondulazione di corrente fino a 30 A di ramo, escludendo fenomeni di saturazione magnetica. Le prove di stress termico a corrente impressa fino a 50 A continui hanno evidenziato una sovratemperatura contenuta sul PCB certificando l'affidabilità termica dell'hardware. L'architettura realizzata riduce l'ingombro dell'88% rispetto al convertitore commerciale precedentemente adottato (da 7 L a 0,8 L), portando la densità di potenza operativa a 2,5 kW/L e attestando una densità di potenza massima fino a 12,5 kW/L.

This thesis presents the design, layout optimization, and experimental validation of a two-phase interleaved DC/DC Boost converter intended for interfacing a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack with the battery pack of the UniGe Elettra racing boat. The integration of electrochemical generators in marine environments imposes strict volumetric power density constraints and demands rigorous attenuation of the input current ripple, which would otherwise induce additional thermal losses and accelerate the degradation of the stack's catalytic membranes.

To meet these requirements, an integrated architecture was developed, physically divided between a power board and an upper dedicated passive LC filtering stage. The 4-layer printed circuit board (PCB) of the filtering stage was engineered with 70 µm copper planes and IPC-standard via arrays to minimize parasitic impedances and enhance thermal dissipation.

Laboratory tests confirmed strong agreement with analytical models: oscilloscope acquisitions verified current ripple behavior up to 30 A per branch, ruling out magnetic saturation phenomena. Thermal stress tests under an impressed continuous current of up to 50 A demonstrated a contained PCB temperature rise, certifying the hardware's thermal reliability. The implemented architecture achieves an 88% volume reduction compared to the previously adopted commercial converter (from 7 L to 0.8 L), raising the operating power density to 2.5 kW/L and achieving a peak power density of up to 12.5 kW/L