Hybrid resonant DC–DC converters: design, modeling, and optimization of dual-path and sigma architectures

AS the demand for high power density and high efficiency in lowvoltage power delivery continues to grow, conventional step-down DC–DC converters face fundamental limitations in balancing conversion ratio, thermal constraints, and magnetic component size. This thesis investigates and develops advanced hybrid converter architectures that overcome the intrinsic limitations of conventional buck and switched-capacitor topologies. The work begins with a systematic analysis of the fundamental DC–DC converter families, identifying the critical bottlenecks that limit currenthandling capability, efficiency, and power density in high-current, lowvoltage applications. Building on this analysis, the concept of dual-path conversion is introduced and characterized. By distributing the load current between inductive and capacitive energy transfer paths, dual-path architectures reduce the dc current stress on the magnetic component and improve the overall power density of the converter. The primary contribution of this work is the derivation and experimental validation of a Resonant Dual-Path Interleaved (RDPI) topology. By combining resonant soft charging of the flying capacitors with interleaved dual-path operation, the proposed architecture simultaneously achieves a reduction of the average inductor current, a minimization of the input RMS current, and the elimination of hard-charging losses. A modular averaged small-signal model of the converter is derived, enabling systematic design of the compensation network and accurate prediction of the closed-loop dynamic behavior. The proposed topology is implemented in a 0.18 µm I BCD technology co-designed with a PCB interposer that exploits shaped copper trace parasitics to realize the resonant inductance. The prototype delivers up to 7 A over a 0.75–1.2 V output voltage range from a 4.0–5.0 V input, achieving a peak efficiency of 91.6% and a peak power density of 0.5 W/mm². To address the limited input voltage range of resonant switched-capacitor converters, this thesis further introduces a sigma-regulated switched tank converter topology for 48 V-to-12 V intermediate bus conversion. The proposed architecture combines a fixed-ratio resonant stage with an auxiliary inductor-based converter operating on a reduced voltage domain, enabling continuous output voltage regulation while preserving the high efficiency of resonant energy transfer across a wide input voltage range. A prototype implemented on a discrete PCB delivers up to 60 A at 12 V with a peak power density of approximately 900 W/in³, validating the proposed architecture across the full 38–60 V input voltage range. Collectively, the architectures and analytical models presented in this thesis advance the state of the art in hybrid step-down power conversion, providing validated design methodologies for high-efficiency, high-density power delivery in both low-voltage and intermediate bus applications.

Con la crescente richiesta di elevata densità di potenza ed elevata efficienza nella distribuzione di potenza a bassa tensione, i convertitori DC–DC step-down convenzionali si trovano ad affrontare limitazioni fondamentali nel bilanciare rapporto di conversione, vincoli termici e dimensioni dei componenti magnetici. Questa tesi analizza e sviluppa architetture ibride avanzate di convertitori in grado di superare i limiti intrinseci delle topologie convenzionali buck e a capacità commutate. Il lavoro inizia con un'analisi sistematica delle famiglie fondamentali di convertitori DC–DC, identificando i colli di bottiglia critici che limitano la capacità di gestione della corrente, l'efficienza e la densità di potenza nelle applicazioni ad alta corrente e bassa tensione. Sulla base di questa analisi, viene introdotto e caratterizzato il concetto di conversione dual-path. Distribuendo la corrente di carico tra un percorso di trasferimento energetico induttivo e uno capacitivo, le architetture dual-path riducono lo stress di corrente continua sul componente magnetico e migliorano la densità di potenza complessiva del convertitore. Il contributo principale di questo lavoro è la derivazione e la validazione sperimentale di una topologia Resonant Dual-Path Interleaved (RDPI). Combinando la carica risonante soft dei condensatori flying con il funzionamento dual-path interleaved, l'architettura proposta ottiene simultaneamente una riduzione della corrente media dell'induttore, una minimizzazione della corrente RMS in ingresso e l'eliminazione delle perdite da hard-charging. Viene derivato un modello a piccolo segnale mediato e modulare del convertitore, che consente una progettazione sistematica della rete di compensazione e una previsione accurata del comportamento dinamico ad anello chiuso. La topologia proposta è stata implementata in tecnologia BCD da 0.18 µm, co-progettata con un interposer PCB che sfrutta le parassite delle piste in rame opportunamente sagomate per realizzare l'induttanza risonante. Il prototipo eroga fino a 7 A su un intervallo di tensione di uscita di 0.75–1.2 V a partire da un ingresso di 4.0–5.0 V, raggiungendo un'efficienza di picco del 91.6% e una densità di potenza di picco di 0.5 W/mm². Per affrontare il limitato intervallo di tensione di ingresso tipico dei convertitori risonanti a capacità commutate, questa tesi introduce inoltre una topologia di switched tank converter con regolazione sigma per la conversione di bus intermedio da 48 V a 12 V. L'architettura proposta combina uno stadio risonante a rapporto fisso con un convertitore ausiliario a induttore operante su un dominio di tensione ridotto, consentendo una regolazione continua della tensione di uscita preservando al contempo l'elevata efficienza del trasferimento energetico risonante su un ampio intervallo di tensione di ingresso. Un prototipo implementato su PCB con componenti discreti eroga fino a 60 A a 12 V con una densità di potenza di picco di circa 900 W/in³, validando l'architettura proposta sull'intero intervallo di tensione di ingresso 38–60 V. Nel complesso, le architetture e i modelli analitici presentati in questa tesi fanno avanzare lo stato dell'arte nella conversione di potenza ibrida step-down, fornendo metodologie di progettazione validate per una distribuzione di potenza ad alta efficienza e alta densità sia in applicazioni a bassa tensione sia in applicazioni di bus intermedio.