Master's Thesis

Ultra-High Power Density 240W Digital Buck Converter with Adaptive Efficiency Optimization

Final Thesis 19.99 MB Appendix 1.92 MB

Author of thesis: Bc. Martin Kopka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Reviewer: Ing. Michal Pavlík, Ph.D.

Abstract:

This thesis demonstrates the advantages of digital control in power electronics through the design of a digitally controlled buck converter utilizing GaN MOSFETs. The converter maintains optimal performance over a wide output-voltage range of 5–48 V using advanced digital algorithms that adapt to the changing behavior of the power stage. The proposed Sensorless Diode Emulation method eliminates the need for high-bandwidth current sensing. In combination with Adaptive Valley Switching, switching and conduction losses in DCM are significantly reduced. The Adaptive Frequency Scaling algorithm adjusts the switching frequency to a wide range of output voltages and load currents. As a result, the converter operates at the maximum-efficiency sweet spot at any operating conditions. The converter employs a digital implementation of Average Current Mode Control with a novel Active Damping method, ensuring stable operation without compromising efficiency. The resulting high-efficiency design enabled a passively cooled, ultra-high-power-density PCB assembly with dimensions of 37 x 21 x 11 mm while delivering an output power of up to 240 W. Measurements show a full-load efficiency of 99.4 % at the highest output setting of 48 V, while at 10 % load, the converter maintains an efficiency of 98.5 %. Under the most disadvantageous conditions of the lowest output voltage setting of 5 V, the converter achieves an efficiency of 95.5 %.

Keywords:

switching power supply, buck converter, GaN, digital control, Average Current Mode Control, Diode Emulation, Valley Switching, high power density, USB-C, USB-PD

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Jaké je jádro má použitá cívky v práci? Feritové. Jaká je její teplotní závislost indukčnosti, je tam dostatečná rezerva? Indukčnost s teplotou klesá, ale cívka se zahřívá minimálně a návrh s tím počítá.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
doc. Ing. František Urban, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. (člen)
RNDr. Ladislav Mareček, CSc. (člen)
doc. Ing. et Ing. Pavel Šteffan, Ph.D. (člen)
Ing. Josef Skácel, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Na základě informací konzultanta ze zadavatelské firmy onsemi lze konstatovat následující:

    Student Martin Kopka přistupoval k řešení diplomové práce na téma digitálního snižujícího měniče systematicky, samostatně a s mimořádným technickým zaujetím. Během řešení prokázal schopnost analyzovat složité technické problémy, navrhovat vlastní řešení a experimentálně ověřovat dosažené výsledky. S cílem získání hlubokého porozumění problematiky student provedl samostatná odvození relevantních principů, jejichž vysvětlení nebývají běžně dostupná.
    Práce splňuje všechny body zadání v plném rozsahu. Byl navržen a realizován digitálně řízený snižující měnič podporující celý rozsah parametrů standardu USB Power Delivery revize 3.2, tedy výstupní napětí 5 - 48 V při výkonu až 240 W. Zvláštní důraz byl kladen na dosažení velmi vysoké účinnosti a výkonové hustoty. Součástí řešení je nejen samotný výkonový stupeň využívající technologii GaN, ale také kompletní návrh digitálního kontroléru s pokročilými digitálními algoritmy, které optimalizují účinnost v širokém rozsahu provozních podmínek.
    Technická zpráva je zpracována na velmi vysoké úrovni. Práce má logickou strukturu, jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují a text je psán odborně i srozumitelně. Rozsah práce odpovídá náročnosti řešené problematiky a obsahuje detailní teoretický rozbor, návrhovou část i rozsáhlé experimentální ověření. Formální úprava práce je na výborné úrovni. Jazyková úroveň práce je rovněž velmi dobrá, text je stylisticky konzistentní a prakticky bez formálních nedostatků. Citovaná literatura byla vhodně zvolena a efektivně využita při řešení jednotlivých částí práce.
    Za mimořádně přínosnou považuji zejména vlastní implementaci metod Sensorless Diode Emulation, Adaptive Valley Switching a Adaptive Frequency Scaling. Student zde neaplikoval pouze známé postupy, ale navrhl originální řešení založená na detailním rozboru chování výkonového stupně. Významným přínosem je rovněž návrh digitální implementace Average Current Mode řízení s vlastní metodou aktivního tlumení, která umožňuje stabilní provoz velmi nízkoztrátového měniče bez snížení účinnosti.
    Výsledky práce mají vysokou praktickou využitelnost. Realizovaný měnič dosahuje mimořádných parametrů z hlediska účinnosti, výkonové hustoty i rozměrů. Navržené digitální metody mají potenciál praktického využití v oblasti vysoce účinných spínaných měničů.
    Vysoká kvalita práce je doložena také úspěchem na konferenci Student EEICT, kde student získal první místo a současně obdržel speciální cenu sponzora.
    Student při řešení diplomové práce prokázal výborné teoretické znalosti, schopnost samostatné inženýrské práce i vysokou úroveň praktických dovedností v oblasti návrhu výkonové elektroniky a digitálního řízení. Podle mého názoru práce výrazně překračuje požadavky kladené na diplomové práce, a proto ji doporučuji k obhajobě s hodnocením A / 100 bodů. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Michal Pavlík, Ph.D.

Student se ve své diplomové práci zabývá návrhem a realizací digitálně řízeného snižujícího měniče s extrémně vysokou výkonovou hustotou a účinností. Autor kombinuje pokročilé polovodičové technologie (GaN) s adaptivními algoritmy digitální regulace. Výsledkem je realizace měniče s výkonem 240 W, hustotou 28 W/cm³ a účinností až 99,4 %, což představuje mimořádně kvalitní výsledek i v kontextu současného výzkumu. Práce má výrazně nadstandardní úroveň jak po stránce teoretické, tak experimentální.

Z formálního hlediska je práce zpracována velmi dobře. Je správně strukturována, použitá terminologie je konzistentní a výpočty jsou podloženy kvalitním matematickým aparátem.
Přesto bych měl výhradu ke struktuře technické části práce. Ocenil bych definici požadovaných parametrů, blokové schéma a shrnutí aplikovaných řídicích a korekčních technik. Dále v některých obrázcích chybí legenda. Dlouhé pasáže textu s odkazem na obrázek nacházející se za dvě a více stran snižuje přehlednost.

Z technického hlediska student představil funkční a dobře navržené zařízení, které je prakticky horní hranici dnešních diskrétních GaN návrhů v kategorii USB-PD / point-of-load srovnatelné s průmyslovými referenčními návrhy (TI, Infineon, onsemi). Jeho návrh je technicky vyspělý a prakticky využitelný.

Student bezezbytku splnil požadavky kladené na diplomovou práci a doporučuji ji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. I když se kapitola 2.2.7 jmenuje "Aktivní tlumení založené na snímání proudu" o vlasntím principu se čtenář nic nedozví. Vysvětlete tedy tento princip.
  2. Vysvětlete fenomén subharmonických oscilací a obvodové řešení zabraňujíící jejich vzniku.
  3. V práci se objevuje termín Emulace Diody. Vysvětlete o co se jedná?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová