High performance resonant switched capacitor converter (ReSCC) topology for high conversion ratio DC-DC voltage conversion

In recent years, resonant switched-capacitor converters (ReSCC) proved to be a valid alternative to traditional buck converters, thanks to their key features such as very high power density, high efficiency, and capability of adjusting the output voltage through quasi-resonant operation. However, since the components count increases with the conversion ratio, these advantages are usually limited to ReSCC topologies providing 2-to-1 nominal down-conversion. This thesis presents a novel DC-DC ReSCC topology derived from ladder structure with reduced number of components for nominal 4-to-1 voltage conversion. Two converters have been implemented to validate the proposed topology, the first one is an integrated solution to perform 12 V to PoL down-conversion. A novel control system for 3-phase quasi-resonant output voltage regulation has been introduced to regulate the output voltage in the 2.5 to 3 V output voltage range. Thanks to the employment of parasitic PCB inductors, a peak power density of 0.53 W/mm2 is reached, while a peak closed loop efficiency of 94.4 % has been measured. The second application is a discrete components unregulated 48 V bus converter, which makes use of a custom planar multi-tapped autotransformer to perform a direct down conversion toward 3.4 V (14-to-1 conversion ratio). A 415 W/inch3 has been obtained at 140 A output current, corresponding to 440 W delivered output power.

Negli ultimi anni, i convertitori risonanti a capacità commutate (ReSCC) hanno dimostrato di essere una valida alternativa ai tradizionali convertitori buck, questo grazie alle loro caratteristiche chiave come densità di potenza elevata, alta efficienza, e possibilità di regolazione della tensione di uscita tramite operazione in quasi risonanza. Tuttavia, siccome il numero di componenti aumenta col fattore di conversione, questi vantaggi sono solitamente limitati a topologie ReSCC che realizzano conversione nominale di 2 a 1. Questa tesi propone una nuova topologia ReSCC derivata dalla struttura ladder con ridotto numero di componenti per conversione di tensione nominale di 4 a 1. Due convertitori sono stati implementati per validare la topologia proposta, il primo è una soluzione integrata per conversione da 12V a punto di carico. Un nuovo sistema di controllo della quasi risonante a 3 fasi è stato introdotto per regolare la tensione di uscita tra 2.5 e 3V. Grazie all'utilizzo di induttanze parassite nel PCB, è stato raggiunto un picco di densità di potenza di 0.53W/mm2, mentre un'efficienza di picco in anello chiuso del 94.4% è stata misurata. La seconda applicazione è un converitore non regolato a componenti discreti per conversione dal bus a 48V, il quale utilizza un trasformatore planare custom per ottenere una conversione diretta a 3.4V (fattore di conversione 14 a 1). Una densità di potenza di 415W/inch3 è stata ottenuta ad una corrente di carico di 140A, corrispondente ad una potenza fornita in uscita di 440W.