The main goal of this thesis is to develop practical digital controller architectures for multi-phase dc-dc converters utilized in low power (up to few hundred watts) and cost-sensitive applications. The proposed controllers are suitable for on-chip integration while being capable of providing advanced features, such as dynamic efficiency optimization, inductor current estimation, converter component identification, as well as combined dynamic current sharing and fast transient response. The first part of this thesis addresses challenges related to the practical implementation of digital controllers for low-power multi-phase dc-dc converters. As a possible solution, a multi-use high-frequency digital PWM controller IC that can regulate up to four switching converters (either interleaved or standalone) is presented. Due to its configurability, low current consumption (90.25 μA/MHz per phase), fault-tolerant work, and ability to operate at high switching frequencies (programmable, up to 10 MHz), the IC is suitable to control various dc-dc converters. The applications range from dc-dc converters used in miniature battery-powered electronic devices consuming a fraction of watt to multi-phase dedicated supplies for communication systems, consuming hundreds of watts. A controller for multi-phase converters with unequal current sharing is introduced and an efficiency optimization method based on logarithmic current sharing is proposed in the second part. By forcing converters to operate at their peak efficiencies and dynamically adjusting the number of active converter phases based on the output load current, a significant improvement in efficiency over the full range of operation is obtained (up to 25%). The stability and inductor current transition problems related to this mode of operation are also resolved. At last, two reconfigurable digital controller architectures with multi-parameter estimation are introduced. Both controllers eliminate the need for external analog current/temperature sensing circuits by accurately estimating phase inductor currents and identifying critical phase parameters such as equivalent resistances, inductances and output capacitance. A sensorless non-linear, average current-mode controller is introduced to provide fast transient response (under 5 μs), small voltage deviation and dynamic current sharing with multi-phase converters. To equalize the thermal stress of phase components, a conduction loss-based current sharing scheme is proposed and implemented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στον χώρο των Φ/Β πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος (AC-PV Modules) με μετατροπείς δύο βαθμίδων, και πιο συγκεκριμένα σε μετατροπείς Σ.Τ. – Σ.Τ με τους οποίους επιτυγχάνεται ανύψωση της τάσης και μπορούν να αποτελέσουν την πρώτη από τις δύο βαθμίδες. Τρεις είναι οι κύριοι στόχοι: A)Η εύρεση της καταλληλότερης επιλογής για την πρώτη βαθμίδα της διάταξης σύνδεσης ενός Φ/Β πλαισίου στο μονοφασικό δίκτυο χαμηλής τάσης. B)Ο βέλτιστος σχεδιασμός και η επιλογή του κατάλληλου Πολλαπλασιαστή Τάσης. C)Ο βέλτιστος σχεδιασμός της μονάδας ανύψωσης τάσης, η οποία αποτελεί την πρώτη βαθμίδα, μιας διάταξης δύο βαθμίδων, για τη σύνδεση Φ/Β πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η μελέτη των τυπικών επιπέδων τάσης που εμφανίζονται σε διατάξεις διασύνδεσης δύο βαθμίδων απέδειξε την ανάγκη σχεδιασμού μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. με υψηλά κέρδη τάσης, τα οποία δεν μπορούν να προσφέρουν οι κλασσικοί μετατροπείς. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για τη διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των Πολλαπλασιαστών Τάσης και εστιάσθηκε στην εξαγωγή νέων απλών και ακριβέστερων μαθηματικών σχέσεων για τη λειτουργία τους, στον ορισμό και την υλοποίηση του βέλτιστου σχεδιασμού και τέλος στη βέλτιστη επιλογή των στοιχείων του κυκλώματος. Για τον καλύτερο δυνατό σχεδιασμό του ανυψωτή τάσης διεξάγεται τεκμηριωμένη σύγκριση μεταξύ διαφόρων δημοφιλών τοπολογιών Πολλαπλασιαστών Τάσης, καθώς και της μορφής της τάσης που θα τον τροφοδοτεί. Η εκτεταμένη έρευνα καταλήγει στην εφαρμογή θετικής παλμικής τάσης εισόδου, με τη χρήση μιας παραλλαγής του μετατροπέα Boost (Mod Boost), ενώ επικρατέστερος Πολλαπλασιαστής Τάσης είναι μία παραλλαγή του Half-Wave Cockcroft-Walton με πυκνωτή εξομάλυνσης (Modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor). Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται επιπλέον ένας νέος επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος συνδυάζει επιτυχώς θεωρητικές εξισώσεις και προσομοίωση, έχοντας ως στόχο το βέλτιστο σχεδιασμό του σύνθετου ανυψωτή τάσης, ο οποίος ονομάστηκε “Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM” και συνίσταται από τον τροποποιημένο μετατροπέα Boost και τον προαναφερθέντα Πολλαπλασιαστή Τάσης. Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω της προσομοίωσης και της σύγκρισης με κατάλληλα εργαστηριακά πρωτότυπα. / The current PhD thesis focuses on the field of AC PV Modules using Dual-Steps Inverters and more specifically on DC-DC Converters that are voltage boosters and can act as the first one of the two stages of the inverter. Three goals are accomplished in this work: A)The optimum choice of the topology for the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module connected to the single-phase low voltage utility grid. B)The optimum choice and design of the Voltage Multiplier. C)The optimum design of the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module. The analysis of the typical voltage levels at the dual steps topologies turns the research interest to DC-DC Converters with voltage gain (more than 20) higher than what is typical for the classical topologies. Based on that, a theoretical analysis is held on Voltage Multipliers according to which the crucial magnitudes are highlighted and new, simple and accurate formulas are extracted, which describe the operation of the voltage multipliers. Moreover theoretical supported choices about the capacitances in every stage are suggested, an optimum design is determined and for its implementation new accurate easy-to-use formulas are extracted. For an optimal design of the voltage booster, well established comparisons are made between popular types of voltage Multipliers and voltage triggering sources. The intensive research leads to the use of a positive voltage pulsing source that is generated by a modified Boost converter (Mod Boost Converter). Moreover a modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor VM is set as the best choice among the studied Voltage Multipliers. Furthermore, a novel iterative optimum design algorithm is introduced, which uses both the theoretical equations of a VM optimum design and a simulation software, so as to make feasible an optimum design of the novel DC-DC Converter. The new converter, named Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM, results from the series connection of the modified converters Boost and Half Wave Cockcroft Walton with Smoothing Capacitor VM. Finally, the conclusions and the theoretical analysis of this work are validated by PSPICE simulations and experimental results, extracted by measurements on laboratory prototypes.

Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie renouvelable, la batterie hydrogène produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile à combustible est alimentée en gaz, elle fournit de l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance, quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversion de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est ici envisagée, la présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement à fort ratio de conversion est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de recherche sont développés. Le premier axe développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé « miroir » obtenus dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe porte sur de nouveaux composants de puissance en nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologiques et scientifiques de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants. / Development of renewable energy seems inevitable to face the energy challenge of today and tomorrow. However, the power generation of promising renewable sources such as solar or wind power is intermittent and unpredictable due to the dependence of the these sources to the weather. In order to overcome the discontinuous nature of the electricity production and the mismatch between production and consumption, electrical energy storage is needed. In this context, hydrogen battery is one of the solutions. During periods of overproduction of renewable energy, an electrolyzer produces hydrogen gas by the electrolysis of water. When necessary, a fuel cell provides electricity from the stored gas. Coupled with renewable energy sources, the hydrogen battery produces carbon-free electricity, i.e. without any greenhouse gas emission. The major advantage of this technology is the decoupling between energy and power system. As long as the fuel cell is supplied with gas, it supplies electricity. Like so, the energy depends on the gas tanks and the system power depends on the characteristics of electrochemical components and the design of the power conversion chain. Power converters connect electrochemical components to the grid. In the case of the transformerless conversion system introduce here, a high efficiency high voltage gain DC-DC converter is required given the high-current low-voltage characteristic of electrochemical components. Since the main goal is to optimize the efficiency, two research approaches are developed. The first develops an innovating multicell converter with high efficiency at high voltage conversion ratio. The experimental results of the “mirror” converter obtained in two experiments have demonstrated the superiority of this topology in terms of energy efficiency compared to conventional converters. The second line of research focuses on new gallium nitride (GaN) transistors heralded as a disruptive technology. A multiphase buck converter illustrates the technological and scientific challenges of this technology and shows the potential of these transistors.