Analysis and implementation of a resonance-aided soft-switching method to enhance buck converter efficiency

This paper presents the analysis and implementation of a resonance-assisted soft-switching strategy aimed at enhancing the efficiency of a synchronous buck converter operating at high switching frequencies. The proposed method establishes a controlled resonant com mutation at the switching node by utilizing the intrinsic parasitic capacitances of the power MOSFETs in conjunction with a small auxiliary resonant inductor and an auxiliary half bridge, thereby enabling zero- voltage switching (ZVS) of the main switches over a wide range of load conditions. Analytical models are formulated to describe the resonant dynamics, derive the switching conditions and identify design constraints that guarantee robust soft-switching operation while maintaining accurate steady-state output regulation. Through this approach, turn-on switching losses are reduced and voltage overshoot, as well as electromagnetic interference commonly associated with hard-switched converters, is mitigated. The proposed technique is validated using a resonant auxiliary converter through simulations, at an input voltage of Vin = 38V, an output voltage of Vout = 5V and a load current of ILOAD = 1A. The measured results indicate an efficiency of 96.8%, which is approximately 3% higher than that of a conventional buck converter operating under the same conditions. Both the theoretical analysis and simulation data confirm that resonance-assisted soft switching constitutes a practical, low-overhead solution for improving efficiency in high-frequency DC–DC power conversion systems.

Questo articolo presenta l’analisi e l’implementazione di una strategia di soft-switching assistita dalla risonanza, finalizzata a incrementare l’efficienza di un convertitore buck sincrono che opera ad alte frequenze di commutazione. Il metodo proposto stabilisce una commutazione risonante controllata sul nodo di switching sfruttando le capacità parassite intrinseche dei power MOSFET, in combinazione con un piccolo induttore risonante ausiliario e un mezzo ponte ausiliario, consentendo così il funzionamento a zero-voltage switching (ZVS) degli interruttori principali su un ampio intervallo di condizioni di carico. Vengono formulati modelli analitici per descrivere la dinamica risonante, derivare le condizioni di commutazione e individuare i vincoli di progetto che garantiscono un funzionamento robusto in soft-switching, mantenendo al contempo una regolazione accurata dell’uscita in regime stazionario. Grazie a questo approccio si riducono le perdite di commutazione in accensione e si mitigano il sovratensione, nonché le interferenze elettromagnetiche comunemente associate ai convertitori a commutazione dura. La tecnica proposta è validata mediante un convertitore ausiliario risonante tramite simulazioni, con una tensione di ingresso pari a Vin=38V, una tensione di uscita di Vout=5V e una corrente di carico di Iload=1A. I risultati misurati indicano un’efficienza del 96%, circa il 3% superiore a quella di un convertitore buck convenzionale operante nelle stesse condizioni. Sia l’analisi teorica sia i dati di simulazione confermano che il soft-switching assistito dalla risonanza costituisce una soluzione pratica e a basso overhead per migliorare l’efficienza nei sistemi di conversione di potenza DC–DC ad alta frequenza.