A novel hybrid-resonant STC topology with serial-input parallel-output regulation for future data center applications

The growing energy demands of modern data centers are driving the development of advanced power architectures that deliver energy more efficiently within increasingly compact spaces. In this context, the design of the power distribution network becomes critical, as computing hardware within data-center racks must operate within stringent volume and thermal constraints. Point-of-Load converters meet these challenges by offering high current density, fast voltage regulation, and high efficiency directly at the load. PoL converters are typically integrated into multi-stage architectures such as the widely adopted Intermediate Bus Architecture (IBA), which enables efficient voltage step-down via Intermediate Bus Converters (IBCs) in large-scale data centers. In this architecture, a semi-regulated intermediate voltage (typically around 48 V) is distributed across the rack and stepped down by Intermediate Bus Converters to supply downstream PoL converters. This thesis proposes a regulated 48 V : 3.3 V Hybrid Resonant Switched-Tank Converter (HRSTC), aiming to achieve high efficiency and power density by combining the advantages of Switched-Tank Converters (STCs) in terms of efficiency with the ability of multi-tapped autotransformers, implemented in planar configurations, to achieve large voltage step-down in a limited area. Regulation is enabled by the inclusion of a buck converter added to the topology in a series-input, parallel-output (SIPO) configuration. Compared to prior implementations, the portion of the circuit responsible for regulation can operate without requiring full decoupling from the high step-down resonant stage, resulting in significant improvements in both component count and power density. A prototype Printed Circuit Board (PCB) of the proposed HRSTC has been designed and magnetically optimized through finite element method (FEM) simulations. The power stage fits within the standard dimensions of a quarter-brick form factor. The converter achieves a peak efficiency of 96.45%, remaining just below 94% at full load, where it delivers a maximum output power of 990 W. Considering the height of the tallest components on the board, the corresponding power density is 775 W/in³.

Le crescenti esigenze energetiche dei moderni data center stanno spingendo lo sviluppo di architetture di alimentazione avanzate in grado di fornire energia in modo più efficiente e in spazi sempre più compatti. In questo contesto, la progettazione della rete di distribuzione dell’energia diventa critica, poiché l’hardware all’interno dei rack dei data center deve operare entro stringenti vincoli di volume e termici. I convertitori Point-of-Load (PoL) affrontano queste sfide offrendo elevata densità di corrente, rapida regolazione della tensione e alta efficienza direttamente al carico. I convertitori PoL sono tipicamente integrati in architetture a più stadi, come la diffusa Intermediate Bus Architecture (IBA), che consente una efficace riduzione della tensione tramite gli Intermediate Bus Converter (IBC) nei data center di grande scala. In questa architettura, una tensione intermedia semi-regolata (tipicamente intorno a 48 V) viene distribuita lungo il rack e ridotta dagli IBC per alimentare i convertitori PoL a valle. Questa tesi propone un Hybrid Resonant Switched-Tank Converter (HRSTC) regolato da 48 V : 3.3 V, che unisce l’efficienza degli Switched-Tank Converter (STC) con la capacità degli autotrasformatori multi-tap planari di realizzare un’ampia riduzione della tensione in spazi contenuti. La regolazione è ottenuta mediante l’integrazione di un convertitore buck nella topologia, in configurazione series-input, parallel-output (SIPO). Rispetto a implementazioni precedenti, il circuito di regolazione può operare senza richiedere un completo disaccoppiamento dallo stadio risonante ad alto rapporto di conversione, migliorando sia nella riduzione del numero di componenti sia nella densità di potenza. Un prototipo della scheda (PCB) del convertitore proposto è stato progettato e ottimizzato magneticamente tramite simulazioni basate sul metodo degli elementi finiti (FEM). Lo stadio di potenza è contenuto nelle dimensioni standard di un quarto di brick. Il convertitore raggiunge un’efficienza di picco del 96.45%, attestandosi appena al di sotto del 94% a pieno carico, condizione in cui eroga una potenza massima di 990 W. Considerando l’altezza del componente più alto presente sulla scheda, la densità di potenza raggiunge 775 W/in³.