With fast development of semiconductor industry, the transistors in microprocessors increase dramatically, which follows the Moore’s law. As a result, the operating voltages of the future microprocessors follow the trend of decreasing (sub 1V) while the demanding currents increase (higher than 100A). Furthermore, the high slew rates during the transient will reach 1200 A/us. All these impose a serious challenge on a Voltage Regulator (VR) or Voltage Regulator Module (VRM). In order to meet requirements of the next generation microprocessors, four new ideas are proposed in this thesis. The first contribution is an accurate analytical loss model of a power MOSFET with a Current-Source Driver (CSD). The impact of the parasitic components is investigated. Based on the proposed loss model, a general method to optimize the CSD is presented. With the proposed optimization method, the CSD improves the efficiency from 79.4% using the conventional voltage source driver to 83.6% at 12V input, 1.5V/30A output and 1MHz. The second contribution is a new continuous CSD for a synchronous buck converter. The proposed CSD is able to drive the control and Synchronous Rectifier (SR) MOSFETs independently with different drive currents enabling optimal design. At 12V input, 1.5 V/30A output and 1MHz, the proposed CSD improves the efficiency from 79.4% using a conventional voltage source driver to 83.9%. The third contribution is a new discontinuous CSD. The most important advantage of the new CSD is the small inductance (typically, 20nH at 1MHz switching frequency). A hybrid gate drive scheme for a synchronous buck converter is also proposed. The idea of the hybrid gate driver scheme is to use the CSD to achieve switching loss reduction for the control MOSFET, while use the conventional voltage source driver for the SR. At 12V input, 1.3V/25A output and 1MHz, the proposed CSD improves the efficiency from 80.7% using the voltage source driver to 85.4%. The final contribution is new self-driven zero-voltage-switching (ZVS) non-isolated full-bridge converters for 12V input VRM applications. The proposed converter achieves the duty cycle extension, ZVS operation and SRs gate energy recovery. At 12V input, 1.3V output and 1MHz, the proposed converter improves the efficiency from 80.7% using the buck converter to 83.6% at 50A. / Thesis (Ph.D, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2009-04-23 08:59:12.699

L’apparition de convertisseurs multicellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés a conduit ces dernières années à améliorer les performances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Il existe plusieurs topologies d’entrelacement qui utilisent des Transformateurs Interphases. L’objectif principal de cette étude est de trouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à un contexte d’intégration d’électronique de puissance pour minimiser la taille et réduire les pertes. Une première étape de modélisation a permis d’effectuer une étude comparative de quelques topologies. Un procédé de permutation des phases d’alimentation a été présenté afin de réduire les ondulations du courant de phases et les pertes ohmiques. Les résultats obtenus valident qualitativement l’avantage de la solution retenue par rapport à la solution standard. Enfin, la réalisation pratique d’un prototype de convertisseur modulaire utilisant des Transformateurs Inter-phases est abordé. Il s’agit d’un régulateur chargé d’alimenter les microprocesseurs (1,2V/100A) (Voltage Regulator Module (VRM)) à 5 modules. Les résultats expérimentaux montrent l’avantage de l’utilisation des Transformateurs Inter-phases par rapport à la solution classique / During the last years, using coupled parallel interleaved converters enhances converters performances (power density, efficiency, transient response,...). There are several possible interleaved coupled topologies that use Inter-phases Transformers. The main objective of this study is to find among these topologies the best adapted configuration in a context of power electronics integration in order to minimize converter size and to reduce losses. A model is proposed to compare some topologies. An optimal modified sequence of phase order to reduce current ripple and ohmic losses is presented. The obtained results validate the advantage of the coupled solution compared to the standard solution. At last, the implementation of a modular power converter using Inter-phases Transformers is shown. It is a Voltage Regulator Module (1,2V/100A) that consists of five identical modules. Experimental results show the advantage of using Inter-phases Transformers compared to conventional solution

L'apparition de convertisseurs multicellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés a conduit ces dernières années à améliorer les performances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Il existe plusieurs topologies d'entrelacement qui utilisent des Transformateurs Interphases. L'objectif principal de cette étude est de trouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à un contexte d'intégration d'électronique de puissance pour minimiser la taille et réduire les pertes. Une première étape de modélisation a permis d'effectuer une étude comparative de quelques topologies. Un procédé de permutation des phases d'alimentation a été présenté afin de réduire les ondulations du courant de phases et les pertes ohmiques. Les résultats obtenus valident qualitativement l'avantage de la solution retenue par rapport à la solution standard. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype de convertisseur modulaire utilisant des Transformateurs Inter-phases est abordé. Il s'agit d'un régulateur chargé d'alimenter les microprocesseurs (1,2V/100A) (Voltage Regulator Module (VRM)) à 5 modules. Les résultats expérimentaux montrent l'avantage de l'utilisation des Transformateurs Inter-phases par rapport à la solution classique.