RESONANT CLASS-E DC-DC CONVERTERS: an innovative analysis and design approach

In questa tesi viene introdotta una nuova metodologia per l'analisi e il design di convertitori dc-dc risonanti, in seguito applicata ad una intera famiglia di topologie in classe-E. Queste architetture, sfruttando la tecnica del "soft-switching" per garantire un funzionamento efficiente alle alte frequenze, sono derivate da una generica topologia risonante avente il minimo numero di elementi reattivi, e consentono quindi una drastica riduzione delle dimensioni e del costo del convertitore. Inoltre, grazie alla loro semplicità, hanno stimolato lo sviluppo di una nuova e completa metodologia di analisi basata sulla soluzione analitica delle equazioni differenziali che regolano il funzionamento del circuito. Questo metodo, derivato dal noto "state-space modeling", permette di superare le limitazioni nel combinare le conoscenze di due discipline aventi una evoluzione storica nettamente distinta: i convertitori di potenza e gli amplificatori a radio frequenza. Il primo risultato ottenuto è la facile e veloce computazione di una serie di curve di progetto adimensionali le quali, partendo dalle specifiche del convertitore da realizzare, permettono di ottenere rapidamente un primo punto design ("lossless"). La nuova metodologia introdotta è stata quindi estesa per tenere conto dei principali meccanismi di perdita dando la possibilità di calcolare una stima dell'efficienza del sistema durante le prime fasi di progettazione. Le misure effettuate su due prototipi realizzati su scheda evidenziano una notevole somiglianza con le forme d'onda calcolate analiticamente senza l'ausilio di nessun simulatore circuitale. Infine, grazie alla versatilità di questo nuovo approccio è stato possibile introdurre alcune caratteristiche avanzate ad un convertitore isolato in classe-E, ovvero un canale di comunicazione bidirezionale isolato sfruttando lo stesso trasformatore utilizzato per il trasferimento di potenza. Per validare questa innovativa tecnica di "power line communication" è stato inoltre realizzato un nuovo prototipo su scheda operante a 1MHz integrando due "Tiva C launchpads" con funzione di trasmettitore/ricevitore. Le misure di "Bit Error Rate" effettuate evidenziano come sia possibile trasmettere un flusso di bit a 1Mb/s in entrambe le direzioni con BER<10^-9 e perdita di efficienza trascurabile.

In this thesis, a novel methodology for resonant dc-dc converters analysis and design is introduced and applied to an entire family of class-E topologies. These architectures, exploiting the so-called soft-switching technique to allow high frequency operation, are derived from a general resonant topology featuring the minimum number of reactive elements and enable a dramatic reduction of future power conversion systems size and cost. Furthermore, due to their simplicity, they encourage the development of a new, comprehensive analysis method exploiting the exact analytical solution of the differential equations regulating circuit state variables evolution. Such an approach, derived from the well-known state-space modeling theory, permits to overcome the main state-of-the-art limitations due to the non-trivial combination of concepts and techniques from historically disjoint disciplines: power electronics and RF amplifiers design. The first outcome of this ODE-based methodology is the straightforward computation of a set of dimensionless design curves that, once converter specifications are known, can be readily exploited to get a first lossless design solution. The proposed modeling method is then extended including the main device losses and the possibility to get an accurate estimate of converter efficiency early in the first design phase. Measurements on two PCB prototypes show a remarkable matching with the semi-analytically computed system waveforms without the need for any additional circuital simulation. Finally, thanks to the versatility of the developed mathematical framework also some advanced features can be investigated, such as the possibility to embed an isolated bidirectional Power-Line Communication (PLC) link with minimum hardware overhead. A new 1MHz PCB prototype is realized to validate this innovative isolated power/data link solution. Bit error rate measurements, accomplished exploiting two "Tiva C Launchpads" to generate and compare both forward and backward data streams, show that 1Mb/s maximum data rate is achievable with BER<10^-9 in both directions with negligible power conversion efficiency degradation (3-4%).