基于SIGMA变换器的高动态响应直流变换技术研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

随着互联网技术的发展以及IC芯片和数字信号处理器的普及，微处理器芯

片得到广泛应用，为微处理器供电的电源称为电压调整模块(VoltageRegulator

Module，VRM)。由于负载的特殊性，要求电压调整模块具有输出电压低、电

流大、高动态响应的特性。鉴于目前48V输入、1V输出已作为VRM的性能标

准，变换器中若仍采用传统的非隔离式拓扑，高降压比会导致效率大幅下降，

并难以满足动态响应要求。因此，本文研究应用于VRM的高动态响应直流变

换器技术，为微处理器供电电源性能提高提供新思路。

针对基于SIGMA变换器的LLC变换器与Buck变换器组合变换器存在的

动态响应较慢的问题，对变换器中的Buck变换器进行改进，对改进后的高动态

响应Buck变换器进行了动态响应特性分析，表明该结构通过对Buck变换器增

加放电回路以及交错并联的方式，能够有效提高变换器的动态响应。此外，结

合理论分析，给出LLC变换器以及高动态响应Buck变换器中关键参数的详细

设计过程。

针对改进后的Buck变换器在传统PWM调制时出现无法建压的问题，结合

拓扑的特殊性，提出一种新型变结构调制方式。同时，为使拓扑的工作效率以

及动态响应达到最优，对LLC变换器采用定频开环控制，对高动态响应Buck

LinearQuadraticRegulatorLQR

变换器采用基于线性二次型调节器（，）设计的

状态反馈控制。最后利用PLECS软件搭建仿真平台，对理论分析的正确性进行

验证。

针对高频工作状态下采用传统变压器体积增大的问题，采用平面PCB变压

器作为LLC变换器的核心器件。设计平面PCB变压器的磁芯器件，包括磁芯

材料选择以及磁芯器件选型，此外基于对通孔损耗以及寄生电容参数的分析并

利用MAXWELL仿真软件，对绕组配置方式进行优化设计，最终选择通孔损耗

以及寄生电容参数影响较小的SPPS绕组配置方式。

最后，基于上述理论分析，搭建了额定48V输入，1V/20A输出的实验平

台，对研究的内容进行实验验证，实验所得结果与理论、仿真结果均一致。

关键词：SIGMA变换器；高动态响应；最优二次型控制；平面PCB变压器

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

WiththedevelopmentofInternettechnologyandthepopularizationofICchips

anddigitalsignalprocessors,microprocessorchipsarewidelyused,andthepower

supplyformicroprocessorsiscalledvoltageadjustmentmodule(VoltageRegulator

Module,VRM).Duetotheparticularityoftheload,thevoltageadjustmentmodule

isrequiredtohavethecharacteristicsoflowoutputvoltage,highcurrentandhigh

dynamicresponse.Giventhat48Vinputand1Voutputhavebeenusedasthe

performancestandardofVRM,ifthetraditionalnon-isolatedtopologyisstillused

intheconverter,thehighvoltagereductionratiowillle