Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents the development of a new dynamic model for the DC-DC Zero-Voltage-Switching Phase-Shift-Modulated Full-Bridge (ZVS-PSM-FB).At first, the ZVSPSM-FB converter is analyzed and the Steady-State equations are derived. Then, using the ac equivalent circuit modeling technique, it is derived two new ZVS-PSM-FB dynamical models, based on step operation of the converter and steady-state converter equations. These two new ZVS-PSM-FB dynamical models with two dynamical models previously presented in the literature are used to perform a frequency response and a transfer-function DC-gain comparison to verify the performance of the dynamical models. Comparison results shows that our second model here derived presents a better performance among other models, keeping the desirable characteristics as simple polynomial ratio transfer-functions, excellent theoretical accuracy of transfer-functions DC-gains, transfer-functions coefficients independency of circuit parasitics components, excepting the primary leakage inductance. Even in this work, it is shown frequency response experimental results of the ZVS-PSM-FB converter, designed following telecommunications rectifiers power supplies standards. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um novo modelo dinâmico para o conversor CC-CC Ponte-Completa Modulado por Deslocamento de Fase e com Comutação em Zero de Tensão (ZVS-PSM-FB). Inicialmente, o conversor ZVS-PSM-FB é analisado, onde são derivadas as equações que definem a operação em regime-permanente do conversor. A seguir, utilizando-se da técnica de modelagem ca média de conversores estáticos, deriva-se dois novos modelos dinâmicos para o conversor, tendo por base as etapas de operação do conversor e as equações de regime-permanente. Feito isso, os dois modelos aqui derivados, são comparados com outros dois modelos dinâmicos já apresentados na literatura para verificar seus desempenhos quanto à resposta em freqüência e resposta do ganho-cc das funções de transferências à variações de carga do conversor, dos modelos dinâmicos. Resultados desta comparação mostram que o segundo modelo aqui derivado é o que apresenta melhor desempenho entre os modelos comparados, mantendo características desejáveis de simples formato de função de transferência como razão de polinômios, precisão teórica excelente para resposta de ganho-cc das funções de transferências e não-dependência dos coeficientes das funções de transferências de parâmetros parasitas do circuito, a menos da indutância de dispersão do transformador. Ainda neste trabalho, são mostrados resultados experimentais da resposta em freqüência do conversor ZVS-PSM-FB, projetado com especificações de normas para retificadores chaveados de alta-freqüência para equipamentos de telecomunicações.

Ces dernières années, un intérêt croissant pour les systèmes électroniques de puissance a été motivé par l'émergence de sources d'énergie distribuées et renouvelables raccordées aux réseaux électriques. Dans ce contexte, la nécessité de topologies de faibles puissances alimentées par quelques modules photovoltaïques, en évitant l'utilisation de transformateurs, a ouvert l'étude de convertisseurs spéciaux et l’étude des stratégies de commande associées afin d’assurer la stabilité, la fiabilité et un rendement élevé du dispositif. Une possible solution est d’utiliser un dispositif générique connu dans la littérature scientifique et commerciale comme « micro-onduleur » ou «convertisseur intégré au module » qui avec le module photovoltaïque définit un produit « plug and play » appelé "module AC".Ce travail est consacré à l'étude d'un micro-onduleur monophasé avec deux étapes sans transformateur raccordée au réseau. La topologie proposée est composé d’un convertisseur DC-DC non isolé élévateur avec un gain quadratique et un onduleur réducteur lié au réseau connectés en cascade. Le convertisseur DC-DC extrait en permanence la puissance maximale du module photovoltaïque malgré les changements dans les conditions environnementales. L'étape DC-AC injecte la puissance extraite par l'étape DC-DC dans le réseau et assure un niveau élevé de qualité de l’énergie. Les efforts de recherche de ce travail sont concentrés sur la mise au point de commandes utilisant comment base, la théorie de contrôle par mode de glissement, qui conduit à une mise en œuvre simple avec une description théorique complète validée á partir de simulations et expérimentations.Après avoir décrit l'état de l’art dans le premier chapitre, le manuscrit est divisé en quatre chapitres, qui sont dédiés respectivement à l’algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT), á l’étape de conversion DC-DC, á l'étape de conversion DC-AC et finalement au micro-onduleur complet. Un nouvel algorithme de recherche extrémal du point de puissance maximale est développé (SM-ESC). Pour la étape DC-DC, le convertisseur élévateur quadratique avec seulement un interrupteur contrôlé est étudié utilisant le concept de résistance sans perte par mode de glissement (de l’acronyme anglais : Sliding-Mode Loss-Free-Resistor – SM-LFR) afin d’obtenir un gain de tension élevé avec un fonctionnement sûr et compatible avec l’algorithme MPPT. Pour la étape DC-AC, le convertisseur de pont complet est contrôlé comme un onduleur de source de puissance (de l’acronyme anglais : Power Source Inverter - PSI) en utilisant une commande par mode de glissement qui poursuit une référence sinusoïdale de courant de sortie. Cette commande est complétée par une boucle de régulation de la tension du bus DC qui assure une haute qualité d’énergie injectée dans le réseau. Enfin, les trois étapes constitutives sont fusionnées pour obtenir un micro-onduleur complètement contrôlé par la technique de mode de glissement, ce qui constitue le principal résultat et contribution de cette thèse. / These last years, a growing interest in power electronic systems has been motivated by the emergence of distributed renewable energy resources and their interconnection with the grid. In this context, the need of low power topologies fed by a few photovoltaic modules avoiding the use of transformers opens the study of special converters and the associated control strategies ensuring stability, reliability and high efficiency. A resulted generic device known in the commercial and scientific literature as “microinverter” or “module integrated converter” performs a plug and play product together with the PV module called an “AC module”.This work is devoted to the study of a transformer-less single-phase double-stage grid-connected microinverter. The proposed topology has a non-isolated high-gain boost type DC-DC converter and a non-isolated buck type DC-AC converter connected in cascade through a DC bus. The DC-DC converter permanently extracts the maximum power of the PV module ensuring at the same time a good performance coping with power changes introduced by the change in the environmental conditions. The DC-AC stage injects the power extracted by the DC-DC stage into the grid ensuring a high level of power quality. The research efforts focus on the involved control functions based on the sliding mode control theory, which leads to a simple implementation with a comprehensive theoretical description validated through simulation and experimental results.After giving the state-of-the-art in the first chapter, the manuscript is divided into four chapters, which are dedicated to the Maximum Power Point Tracking (MPPT), the DC-DC stage and its control, the DC-AC stage and its control and the complete microinverter. A new Extremum Seeking Control (ESC) MPPT algorithm is proposed. The single-switch quadratic boost converter is studied operating as a Loss-Free-Resistor (LFR) obtaining a high DC output voltage level with a safe operation. The full-bridge converter is controlled as a Power Source Inverter (PSI) using a simple sliding-mode based tracking law, regulating the voltage of the DC bus and then ensuring a high power quality level in the grid connection. Finally, the three building blocks are merged to obtain a sliding mode controlled microinverter constituting the main result and contribution of the work

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis presents a converter topology for photovoltaic panels. This topology minimizes the number of switching devices used, thereby reducing power losses that arise from high frequency switching operations. The control strategy is implemented using a simple micro-controller that implements the proportional plus integral control. All the control loops are closed feedback loops hence minimizing error instantaneously and adjusting efficiently to system variations. The energy management between three components, namely, the photovoltaic panel, a battery and a DC link for a microgrid, is shown distributed over three modes. These modes are dependent on the irradiance from the sunlight. All three modes are simulated. The maximum power point tracking of the system plays a crucial role in this configuration, as it is one of the main challenges tackled by the control system. Various methods of MPPT are discussed, and the Perturb and Observe method is employed and is described in detail. Experimental results are shown for the maximum power point tracking of this system with a scaled down version of the panel's actual capability.

L’utilisation des alimentations à découpage (SMPSs : switched mode power supplies) est à présent largement répandue dans des systèmes embarqués en raison de leur rendement. Les exigences technologiques de ces systèmes nécessitent simultanément une très bonne régulation de tension et une forte compacité des composants. SEPIC (Single-Ended Primary Inductor Converter) est un convertisseur à découpage DC/DC qui possède plusieurs avantages par rapport à d’autres convertisseurs de structure classique. Du fait de son ordre élevé et de sa forte non linéarité, il reste encore peu exploité. L’objectif de ce travail est d’une part le développement des stratégies de commande performantes pour un convertisseur SEPIC et d’autre part l’implémentation efficace des algorithmes de commande développés pour des applications embarquées (FPGA, ASIC) où les contraintes de surface silicium et le facteur de réduction des pertes sont importantes. Pour ce faire, deux commandes non linéaires et deux observateurs augmentés (observateurs d’état et de charge) sont exploités : une commande et un observateur fondés sur le principe de mode de glissement, une commande prédictive et un observateur de Kalman étendu. L’implémentation des deux lois de commande et l’observateur de Kalman étendu sont implémentés sur FPGA. Une modulation de largeur d’impulsion (MLI) numérique à 11-bit de résolution a été développée en associant une technique de modulation Δ-Σ de 4-bit, un DCM (Digital Clock Management) segmenté et déphasé de 4-bit, et un compteur-comparateur de 3-bit. L’ensemble des approches proposées sont validées expérimentalement et constitue une bonne base pour l’intégration des convertisseurs à découpage dans les alimentations embarquées. / The use of SMPS (Switched mode power supply) in embedded systems is continuously increasing. The technological requirements of these systems include simultaneously a very good voltage regulation and a strong compactness of components. SEPIC ( Single-Ended Primary Inductor Converter) is a DC/DC switching converter which possesses several advantages with regard to the other classical converters. Due to the difficulty in control of its 4th-order and non linear property, it is still not well-exploited. The objective of this work is the development of successful strategies of control for a SEPIC converter on one hand and on the other hand the effective implementation of the control algorithm developed for embedded applications (FPGA, ASIC) where the constraints of Silicon surface and the loss reduction factor are important. To do it, two non linear controls and two observers of states and load have been studied: a control and an observer based on the principle of sliding mode, a deadbeat predictive control and an Extended Kalman observer. The implementation of both control laws and the Extended Kalman observer are implemented in FPGA. An 11-bit digital PWM has been developed by combining a 4-bit Δ-Σ modulation, a 4-bit segmented DCM (Digital Clock Management) phase-shift and a 3-bit counter-comparator. All the proposed approaches are experimentally validated and constitute a good base for the integration of embedded switching mode converters

Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité. / Owing to the development of modern semiconductor technology, it is possible to implement a digital controller for low-power high switching frequency DC-DC power converter in FPGA and ASIC. This thesis is intended to propose digital controllers with high performance, low power consumption and simple implementation architecture. Besides existing digital control-laws, such as PID, RST, tri-mode and sliding-mode (SM), a novel digital control-law, direct control with dual-state-variable prediction (DDP control), for the buck converter is proposed based on the principle of predictive control. Compared to traditional current-mode predictive control, the predictions of the inductor current and the output voltage are performed at the same time by adding a control variable to the DPWM signal. DDP control exhibits very high dynamic transient performances under both load variations and reference changes. Experimental results in FPGA verify the performances at switching frequency up to 4MHz. For the boost converter exhibiting more serious nonlinearity, linear PID and nonlinear SM controllers are designed and implemented in FPGA to verify the performances. A digital control requires a DPWM. Sigma-Delta DPWM is therefore a good candidate regarding the implementation complexity and performances. An idle-tone free condition for Sigma-Delta DPWM is considered to reduce the inherent tone-noise under DC-excitation compared to the classic approach. A guideline for Sigma-Delta DPWM helps to satisfy proposed condition. In addition, an 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM with a feasible dither generation module is proposed to further restrain the idle-tone effect without deteriorating the closed-loop stability as well as to preserve a reasonable cost in hardware resources. The FPGA-based experimental results verify the performances of proposed DPWM in steady-state and transient-state. Two ASICs in 0.35µm CMOS process are implemented including the tri-mode controller for buck converter and the PID and SM controllers for the buck and boost converters respectively. The lab-scale tests are designed to lead to a power assessment model suggesting feasible applications. For the tri-mode controller, the measured power consumption is only 24.56mW/MHz when the time ratio of stand-by operation mode is 0.7. As specific power optimization strategies in RTL and system-level are applied to the latter chip, the measured power consumptions of the SM controllers for buck converter and boost converter are 4.46mW/MHz and 4.79mW/MHz respectively. The power consumption is foreseen as less than 1mW/MHz when the process scales down to nanometer technologies based on the power-scaling model. Compared to the state-of-the-art analog counterpart, the prototype ICs are proven to achieve comparable or even higher power efficiency for low-to-medium power applications with the benefit of better accuracy and better flexibility.

<p dir="ltr">The short lifespan of capacitors in power electronics converters is a significant challenge. These capacitors, often electrolytic, are vital for voltage smoothing and frequency filtering. However, their susceptibility to heat, ripple current, and aging can lead to premature faults. This can cause issues like output voltage instability and short circuits, ultimately resulting in catastrophic failure and system shutdown. Capacitors are responsible for 30% of power electronics failures.</p><p dir="ltr">To tackle this challenge, scientists, researchers, and engineers are exploring various approaches detailed in technical literature. These include exploring alternative capacitor technologies, implementing active and passive cooling solutions, and developing advanced monitoring techniques to predict and prevent failures. However, these solutions often come with drawbacks such as increased complexity, reduced efficiency, or higher upfront costs. Additionally, research in material science is ongoing to develop corrosion-resistant capacitors, but such devices are not readily available.</p><p dir="ltr">This dissertation presents a capacitorless solution for dc-dc and dc-ac converters. The proposed solution involves harnessing parasitic elements and integrating them as intrinsic components in power converter technology. This approach holds the promise of enhancing power electronics reliability ratings, thereby facilitating breakthroughs in electric vehicles, compact power processing units, and renewable energy systems. The central scientific premise of this proposal is that the capacitance requirement in a power converter can be met by deliberately augmenting parasitic components.</p><p dir="ltr">Our research hypothesis that incorporating high dielectric material-based thin-films, fabricated using nanotechnology, into planar magnetics will enable the development of a family of capacitorless electronic converters that do not rely on discrete capacitors. This innovative approach represents a departure from the traditional power converter schemes employed in industry.</p><p dir="ltr">The first family of converters introduces a novel capacitorless solid-state power filter (SSPF) for single-phase dc-ac converters. The proposed configuration, comprising a planar transformer and an H-bridge converter operating at high frequency, generates sinusoidal ac voltage without relying on capacitors. Another innovative dc-ac inverter design is the twelve step six-level inverter, which does not incorporate capacitors in its structure.</p><p dir="ltr">The second family of capacitorless topologies consists of non-isolated dc-dc converters, namely the buck converter and the buck-boost converter. These converters utilize alternative materials with high dielectric constants, such as calcium copper titanate (CCTO), to intentionally enhance specific parasitic components, notably inter capacitance. This innovative approach reduces reliance on external discrete capacitors and facilitates the development of highly reliable converters.</p><p dir="ltr">The study also includes detailed discussions on the necessary design specifications for these parasitic capacitors. Furthermore, comprehensive finite element analysis solutions and detailed circuit models are provided. A design example is presented to demonstrate the practical application of the proposed concept in electric vehicle (EV) low voltage side dc-dc power converters used to supply EVs low voltage loads.</p>