DC-DC converter for rad-hard environments with air-core transformer: fixed 4:1 ratio and regulated implementation of a Hybrid Switched Capacitor topology

Scientific advancement and technological progress within particle accelerators require advanced power architectures capable of delivering energy efficiently. Point-of-Load (PoL) converters address these demands by providing high current density, fast voltage regulation, and high efficiency directly at the load, while reducing the size of interconnection cables and the associated ohmic losses. PoL are commonly integrated into multi-stage power distribution schemes, such as the widely adopted Intermediate Bus Architecture (IBA), which enables efficient voltage step-down through the use of Intermediate Bus Converters (IBC). This thesis proposes two IBCs topologies: an unregulated Hybrid Switched Capacitor (HSC) converter with a 4:1 conversion ratio, designed to achieve high efficiency and power density by exploiting resonant operation, and a regulated double step-down two-phase buck converter. Given the operating environment of the converters, the power stage is developed using radiation-tolerant devices; in particular, GaN FETs are adopted for the active components, while the transformer is realized using planar technology with an air-core structure. A prototype printed circuit board of the proposed converters has been designed and magnetically optimized through finite element method simulations. The power stage occupies an area of 30mmx30mm with a total thickness of 4.9mm. The unregulated converter delivers a maximum output power of 300W, while the regulated converter provides a maximum power of 125W. Taking into account the height of the components mounted on the board, the resulting power density for the unregulated converter reaches 718.73W/in3, while for the regulated converter it is 300W/in3.

Il progresso scientifico e lo sviluppo tecnologico nel campo degli acceleratori di particelle richiedono architetture di potenza avanzate, in grado di fornire energia in modo efficiente. I convertitori Point-of-Load (PoL) rispondono a queste esigenze offrendo elevata densità di corrente, rapida regolazione ed elevata efficienza. I PoL sono comunemente integrati in strutture di distribuzione dell’energia elettrica a più stadi, come la Intermediate Bus Architecture (IBA), che consente un’efficiente riduzione della tensione tramite l’impiego di Intermediate Bus Converters (IBC). Questa tesi propone due topologie di IBC: un convertitore Hybrid Switched Capacitor (HSC) non regolato con rapporto di conversione 4:1, progettato per ottenere elevata efficienza e densità di potenza sfruttando il funzionamento risonante, e un convertitore buck regolato a doppia fase e doppio stadio di riduzione della tensione. Considerando l’ambiente operativo dei convertitori, lo stadio di potenza è stato sviluppato utilizzando dispositivi tolleranti alle radiazioni; in particolare, transistor di tipo GaN FET, mentre il trasformatore è stato realizzato mediante tecnologia planare con struttura senza nucleo ferromagnetico. stato progettato un prototipo di circuito stampato dei convertitori proposti, ottimizzato magneticamente mediante simulazioni agli elementi finiti. Lo stadio di potenza occupa un'area di 30mmx30mm con uno spessore totale di 4.9mm. Il convertitore non regolato fornisce una potenza massima in uscita di 300W, mentre il convertitore regolato fornisce una potenza massima di 125W. Tenendo conto dell'altezza dei componenti montati sulla scheda, la densità di potenza risultante per il convertitore non regolato raggiunge 718.73W/in3, mentre per il convertitore regolato è di 300W/in3.