开关电源最优设计技术研究.pdf

开关电源最优设计技术研究.pdf

《开关电源最优设计技术研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源最优设计技术研究.pdf（76页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

浙江大学硕士学位论文开关电源最优设计技术研究姓名：

陈雨霞申请学位级别：

硕士专业：

电力电子与电力传动指导教师：

吴国忠;杜丽20040301浙江人学坝l学位论文摘篮摘要随着电力电子技术的不断发展，要求丌天电源有更高的频率、更高的功率密度、更高的效率、更高的功率因数和更高的可靠性，同时还要求其电路相对简洁，并有较小的体积，这样才更具实用性。

为了达到这些要求，人们已在功率半导体器件选择、拓扑结构研究、控制电路改进以及器件的排列布局等方厮进行了不懈地努力，并取得了许多成果。

然而，这些电路的设计过程只是设计者凭借自己的设计经验作的一种初步的优选，得到的也只是一个较优解，而不是最优解。

近年来，人们引入功能强大的数学规划方法来解决开关电源的最优设计问题，从而形成了以数学规划为基础的开关电源晟优设计技术。

与常规设计方法相比，这种最优设计技术可以明显地提高开关电源的设计质量，大大缩短设计周期和减轻工程技术人员繁重的电路定型工作。

本文针对两类典型的开关电源电路进行了最优化设计研究，主要工作如下：

1、讨论了开关电源最优设计技术的研究背景与现状，介绍了本文研究的理论基础；2、在进行单相BoostPFC变换器初步设计的基础上，运用非线性规划技术对BoostPFC变换器进行了优化设计。

结果表明，优化设计方案在满足各项性能指标的情况下，实现了设计目标的最优；3、进一步运用非线性规划技术对Buck电路进行了最优设计。

仿真和实验波形表明了最优化设计的可行性：

4、对开关电源最优设计技术的进一步研究工作进行了探讨与展望。

关键词：

开关电源功率因数校正最优设计技术算法非线性规划浙汀人学坝学位论文AbstractAbstractWiththedevelopmentofpowerelectronics，switchingmodepowersupply（SMPS）musthavehigherfrequency,higherpowerdensity,higherefficiency,higherpowerfactor（PF）andhigherreliabilityTobepracticability，thecircuitmustbesimpleandsmallAndtoachievethesepeoplehavedonemuchworkinpowerdevicesselection，topologyresearch，controlcircuitmendandpowerdeviceslayoutHowever,dependedonthedesignersexperience，thedesignmaybeabetterone，butalwaysnotthebestInrecentyears，peopleintroducedpowerfulmathematicalprogrammingintothedesignofSMPStoachievethebestdesignItformsthemathematicaloptimizationtechnologyoftheSMPSCoparewithcommondesign-itimprovesthequality,shortenstheperiodandeasesthedesignfinalizeTheapplicationofoNimizationtechnologyintwotypicalcircuitarepresentedinthepaperThemainresultsaleasfoIlowsItdiscussestheresearchbackgroundandactuality,andintroducesthefoundatiOnofthetechniqueonthebaseoftheinitialdesignofBoostPFCconverteritintroducesthenon1inearprogrammingfNLP）techniqueAnditsoptimizationresultindicatestheobjectivefunctionobtainingthebestvalue，atthesanletimemeetingtheotherperformanceguidelineTheapplicationofthenon-linearprogramming（NLP）techniquehasbeendiscussedintheBuckcircuitindepthTheplotoftheexperimentandsimulatorindicatestllattllefeasibilityoftbeoptimizationtechniqueintheSMPSAb。

iefdiscussiononthefutureapplicationofoptimizationtechniqueinthedesignofSMPSispresentedKeywords：

SwitchingM。

dePowerSupplyPowerFactorCorrectionOpIimizationTechniqueAlgorithmNonlinearProgrammingII浙江人学硕l学位论艾撼章绪论11研究背景第一章绪论随着电气设备高效率、小体积、低成本要求的提高，必然导致开关电源逐渐向高频率、高功率密度、高效率、高功率因数和高可靠性（称为“五高”性能）的方向发展“3。

为了获得五高，人们在功率半导体器件选择、拓扑结构研究、控制电路设计以及器件的排列布局等优化设计方面进行了不懈的努力，并取得了许多成果。

（1）选择性能更为优越的器件“1图卜1功率器件功率器件的发展过程如图卜1所示。

（2）改进电路拓扑结构03同样的器件，不同的拓扑结构具有不同的系统性能。

增加（或减少）电感、电容、功率开关、二极管或改变电路拓扑结构也是人们在拓扑结构方面的探索方向。

（3）改进控制方式“”控制方式从最初的模拟控制到数字控制，现在正朝着智能化和网络化的方向发展。

比较常用的控制方法有：

PID控制；无差拍控制重复控制滑模变结构控制模糊控制和神经网络控制各种控制的结合控制方法然而，大部分情况下这些电路的设计过程只是设计者凭借自己的设计经验作的一种初步的优选，这种基于经验的设计方法自然存在很大的局限性。

开关电源的设计要用到很多设计变量，并涉及到多个领域，如电、磁、热、机械等多个方面。

传统的设计方法是确定组变量，然后根据设计者对设计系统的了解程度做一些假定和简化，凭借设计者的经验和专业水平经常可以得到一个很好的设计产品，但在设计过程中硬件拓扑结构的不断尝试都是必不可少，而且设计结果往往不是最优的。

浙江人学颅l学位论文第一幸绪论近年来，人们引入功能强大的数学规划方法来解决丌关电源的最优设计问题，从而形成了以数学规划为基础的丌关电源最优设计技术。

围内外大量实践已经表明，当一个设计所希望的目标以及必须满足的限制条件（也称约束条件）都能用数学公式来表达时，这种优化方法与传统的设计方法相比，往往具有明显的优越性，既可以提高丌关电源的设计质量，又可以大大缩短设计周期和减轻工程技术人员繁重的电路定型工作。

本文正是在此背景下展开了开关电源最优化设计技术的研究。

12研究现状开关电源的优化设计是在最优设计命题的基础上，借助计算机，利用优化数学模型和算法程序，以寻求设计变量和电路参量之间的最优规律。

近二、三十年来，人们已将最优设计方法先后较为成功地应用于单端或桥式P删（也包括软开关一PwM）开关电源的主电路，各种电路拓扑下的变压器，有源和无源滤波电路，P删开关电源控制电路的补偿网络和布线设计等，并取得了一定的经验，但还有待于迸一步普及和推广。

前人的研究主要集中在以下几个方面：

（1）主电路的优化设计”叫根据电源电路的基本原理和半桥变换器功率变换级（主电路）的基本波形推导出优化数学模型并确定优化目标（求功耗最小、或重量最小、或功耗和重量加权和为最小），然后采用优化算法在计算机上寻优，再对数学模型作适当修改，建立整个功率变换级的数学模型并再次寻优。

根据优化结果引入一些约束和设计变量，对设计变量进行离散化处理，再次应用算法寻优，最后形成一个完整的功率变换级的优化设计方案。

（2）变压器的优化设计“”1变压器的优化设计主要是解决在各种复杂的情况下（如高密度、高频和高功率因数等）如何对变压器绕组进行优化设计，使绕组损耗和成本达到最优组合。

（3）滤波电路的优化设计“4。

2“由于电网谐波污染的日益严重，谐波的治理已经迫在眉睫。

传统的谐波治理方法是采用无源滤波器（PassivePowerPilter），但若其参数设计不当，不仅滤波效果不好，而且可能造成投资增加，系统无功功率过补偿以及无源滤波器与电网阻抗发生串、并联谐振等问题。

而在先进的混合有源滤波系统（HybridActirePowerFilter）中，无源滤波器也起着十分重要的作用。

因此，对无源滤波器的参数进行优化设计非常重要。

可以将无源滤波器的初期投资、无功功率补偿容量、滤波后电网谐波含量作为三个目标，利用遗传算法算法对无源滤波器的浙江人学顺I学位论文第章绪论参数进行J优化设计。

（4）控制电路的优化设计”1丌关电源是一个闭环稳压系统由功率变换电路和控制电路两大部分组成，其巾控制电路包括误差放大及补偿网络、脉宽调制器（P_lvM）和驱动电路。

当功率变换电路的参数和补偿网络的拓扑结构选定以后就可以通过确定补偿网络的参数来保证系统的各项动态性能指标，如系统的相对稳定性、动态响应的快速性以及对电源电压和负载小信号正弦扰动的抑制能力等。

传统的设计方法主要是依靠经验的试凑法（Tryanderror），或将经验法设计的系统进行计算机仿真，调整设计参数。

这种设计方法比较繁琐，并有一定的盲目性，不能完全达到期望的各项性能指标。

以最优控制理论为基础，在小信号线性化假定下，建立开关电源动态模型的动态优化设计方法，是以补偿网络待定参数为优化设计变量，以系统阶跃输入时动态误差的平方积分（ISE指标）最小为优化目标，并根据开关电源应满足的各种动态性能指标列出约束条件，采用一定的优化算法，如序列二次规划（SQP-SequentialQuadraticProgranuning）算法进行计算机辅助寻优，求出补偿网络的最优参数和动态性能指标。

（5）布线优化设计071为了节省设计成本和提高设计效率，在开关电源设计的开始阶段就要考虑EMC的问题（而不是在电路建成以后再用滤波器来消除EMI），其中一种方法就是在布线的时候来减小EMI。

因此就出现了所谓的布线优化设计。

这方面的研究正处于起步阶段，随着国际上对D,IC问题重视程度的提高，布线优化设计也是一个很有价值的研究方向。

13本文主要内容和选题意义优化设计在控制电路和滤波电路的参数优化方面已尝试较多，发展较为成熟：

主电路的优化主要集中在重量和损耗方面，并还存在很多需要解决的问题。

变压器的优化设计可以包含在主电路中，当其与主电路的设计影响不大时，也可以分开对其进行优化设计。

本文以单相BoostPFC变换器的设计和Buck变换器的设计为例，从性能和体积的角度展开最优设计技术在开关电源设计中的应用研究。

文章第二部分介绍了优化设计的理论基础。

第三部分首先介绍了单相BoostPFC变换器的初步设计，详细分析了其中一些变量的相互影响，并建立了关系式，随后引入非线性规划技术，对BoostPFC变换器进行了优化设计。

设计结果表明，优化设计在满足各项性能指标的情况下，使某些变量达到了最优，这不仅有利于电路设计本身，同时也推动了整个电路设计工程领域的发展。

第四部分以Buck浙江人学颂I：

学何论文第章绪论电路设计为例再次探讨了优化设计方法在开关电源设计中的应用。

同时举了两个设计实例，一个是低压小功率变换电路，一个是中压大功率变换电路。

设计结果表明，在低压小功率的设计中优化设计所起的作用并不明显，而在中压大功率的设计中，优化设计的优越性就充分体现出来了。

第五部分对本文进行了总结，并对F一步工作做了说明，还对优化设计技术在开关电源领域的应用进行了展望。

在开关电源设计领域，涉及的变量较多，且都是一些非线性规划。

近年来，为了使输入电流谐波达到国际上推出的一系列限制电流谐波的标准，人们越来越关注有源功率因数校正（APFC）电路技术的发展。

所以选用这一电路来进行优化设计将更有现实意义。

但Boost电路中L和c的值在选择上不存在直接的关系，所以对它们进行集中优化的意义不大。

所以，从优化应用的角度来考虑，再次选用Buck电路来进行优化设计。

优化设计技术是一种软硬件结合的技术，即应用优化设计软件辅助硬件电路设计，这与传统的硬件电路设计相比，具有高效率、高质量和低成本等优点。

特别是在变量众多，关系复杂的电路设计中，优化设计的优越性将更加明显。

同时，它对于开关电源在其它方面如：

拓扑结构和控制方式等方面的研究也起到了一定的推动作用。

本文是针对优化设计在开关电源中的应用所作的一个初步的探讨，它的普遍应用还有待于进一步的工作。

4浙江人学学位论文第二章优化设汁理论摹础第二章优化设计理论基础21最优设计方法简介数学规划方法，其本质是将目标、约束条件及各种关系用数学式来表达，再用数学方法来求解。

最早出现的一类数学规划方法是线性规划（LinearProgramming，简称LP），即其目标和各约束条件的表达式都是线性的。

线性规划经过几十年的发展，在建模与求解方面都有很多改进，其应用遍及农业、工业、运输、能源、环境、医疗卫生、行政管理等许多方面，并陆续发展出非线性规划、整数规划、目标规划、动态规划等其它数学规划方法。

开关电源的设计中所涉及的变量多是一些非线性的量，所以开关电源的最优化问题其实就是非线性规划问题。

应用最优化方法设计开关电源的某个子电路（如主电路、变压器、滤波电路、补偿网络等）其实质是在开关电源某个技术或经济指标为最优或接近最优的意义下，获得该电路的一组最优参数，并满足其它各项性能指标或结构、工艺等要求。

设计开关电源主电路应满足的技术性能指标主要有：

输出输入电压比（uom，），输出功率Po，变换器效率rI，输出电压纹波u。

，对输入电压源u。

的电磁干扰（EMI）幅度的限制等等。

因此，应用优化方法设计开关电源时，应首先建立开关电源最优设计命题，它包含了以下三方面内容：

变量、目标和约束条件。

（1）设计变量寻优过程中，设计参数在尚未达到最优值时一般随着迭代过程而不断变化，故被称为设计变量。

例如一个由电感和电容组成的低通滤波器，对它进行优化设计时，可取电容C和电感L为设计变量；对高频变压器进行优化设计时，可取磁芯尺寸、匝数、导线截面等为设计变量。

一般的工程优化问题总有多个变量，可用X，X：

，X。

表示n个设计变量：

X=（工，屯，）

（2）目标函数目标函数是评价设计方案优劣的标准，常用某种指标或函数形式表达，例如要求开关电源的输出电压纹波最小、反应速度最快、重量最小或效率最高等等。

若优化目标是单一的，则为单目标优化设计，如同时必须达到好几项目标，则就是多目标优化设计问题。

目标函数一般为取值最大或最小：

浙汀火学学位论义第一章优化设计理论基础或maxminF（x）=（一（x），正（x），辨（x）。

（3）约束条件在对丌关电源或其子电路进行优化设计时，常用等式或不等式约束表示应满足的各项设计条件及其他结构或工艺，卜的要求，例如主电路输出电压纹波必须小于一定值、闭环系统的相位裕量必须大于某规定值以保证系统的相对稳定性、变压器和电感元件的磁芯中磁密应小于允许值、其绕组总面积应小于窗口面积等。

这些约束是全部（或部分）设计变量的非线性（或线性）函数，因此开关电源优化设计问题在数学上归结为求解有约束限制的非线性多变量（目标）函数的极值问题，或非线性规划问题。

令设计变量为X=（x，而，），解集（即可行域）为Q=XEIg,（x）-o，i=1，p，其中g，G）为第i个约束函数，若为第J个目标（j=1，2，m），则多目标开关电源最优设计命题可归结为OptF（X）=（一（x），正（x），厶（x）1，XQ22优化算法优化问题可以分为无约束优化问题和约束优化问题，开关电源设计中总存在一些约束条件，所以都为约束优化问题。

约束优化问题根据约束函数的性质可分为：

线性约束优化问题和非线性约束优化问题，在开关电源中基本上都是一些非线性的约束，所以在此也只介绍非线性约束的优化算法。

求解约束优化问题的思路主要分为两大类：

一是直接对目标函数采用搜索法在可行方向求出最优解；另一个是对目标函数进行转换，化为更易求解的问题来求原优化问题的最优解，比如无约束优化问题或动态规划问题等。

主要算法有：

可行方向法、惩罚函数法、二次规划算法和遗传算法等。

可行方向法可以看做是无约束下降算法的自然推广，其典型策略是从可行点出发，沿着下降的可行方向进行搜索，求出目标函数下降的新的可行点。

算法的主要步骤是选择搜索方向和确定沿此方向移动的步长。

惩罚函数法的基本思想就是，借助惩罚函数把约束问题转化为无约束问题，进而用无约束最优化方法来求解。

由于约束的非线性，不能用消元法将问题化为无约束问题，因此在求解时必须同时照顾到即使目标函数值下降，又要满足约束6浙江人学学位论文第一审优化设计理论壮础条件这两个方面。

实现这一点的一种途径是由目标函数和约束函数组成辅助函数，把原来的约束问题转化为极小化辅助函数的无约束问题。

序列二次规划（SQP）算法可以模拟解决无约束优化问题的牛顿方法来解决约束优化问题，在每一次迭代时，收敛可以由用拟牛顿（QuasiNewton）方法得到的Langrange函数构成的Hessian矩阵来保证，从而转化为一个二次规划（QP）子问题，它的解产生线性搜索过程的搜索方向。

使用SOP算法求解一个非线性约束优化问题比一个无约束优化问题所迭代的次数要少，这是因为受到解可行区域的限制，这种方法更可能得到恰当的搜索方向和迭代步长。

遗传算法（GeneticAlgorithm，简称GA）是当前较为成功的、广泛应用于复杂工程优化的演化算法之一，它对目标函数和约束条件的限制较少，并能较好地处理实际优化问题中存在的目标函数具有多个局部极值点或在某一局部不连续、不可微等病态情况。

由于它的这些优越性使遗传算法的使用越来越广泛，并在实际中得到了很多改进。

遗传算法根据生物界中基因的遗传变异及达尔文的自然选择和适者生存原理对问题进行随机的进化操作，逐步迭代寻求问题最优解的方法。

GA引进了基因和染色体的概念，将问题的有关参数组成一个可行解代码（即染色体），同时将大批的染色体（一代种群）置于“环境”中，通过适度值函数求出各染色体的适度值，根据适者生存的概念进行自然选择，适度值高的染色体被保留并以一定的概率在下一代得到繁殖，而适度值低的染色体减少繁殖数量甚至被淘汰。

与传统搜索方向不同的是GA不是对具体参数的搜索空间的一个解进行评估，而是对整个搜索空间的大量可行解同时并行搜索，这样就克服了传统方法（如反向传播算法）可能陷入收敛于局部最优的困境。

GA采用对一组可行解的搜索从某种意义上来说可以理解成对多维参数空间的并行搜索。

问题解可编制成一种编码串，大量的串群组成一代种群，该种群覆盖了整个解空问，初代的赋值是随机的，在进化过程中，由于采用的策略是适者生存的方针，因此，下一代比上一代总是更接近最优解。

GA最基本的算子有三个：

选择再生，交叉和变异。

（1）选择算子-（selectionreproduction）选择算子从群体中按某一概率成对选择个体，某个体Xi被选择的概率Pi与其适应度值成正比。

最通常的实现方法是轮盘赌（roulettewheel）模型。

（2）交叉算子（Crossover）,交叉算子将被选中的两个个体的基因链按概率Pc进行交叉，生成两个新的个体，交叉位置是随机的。

其中Pc是一个系统参数。

（3）变异算子（Mutation）：

变异算子将新个体的基因链的各位按概率P。

进行变异，对二进制编码来说即是取反。

与交叉操作产生的新个体相比，变异从某种意义上来说是真下的“新”个体浙江人学学位论文第一章优化改计理论皋础产生的方法，变异操作是一种随机操作，每迭代一次，搜索范围就比原有范围扩大一些，直至覆盖整个解空f刚，这样即使初值是在一个相对小的范围内设定，经数次迭代后也可能使染色体群覆盖整个解空间，这样就为GA的全局性搜索提供了保证。

上述各种算子的实现是多种多样的，而且许多新的算子乖在不断地提出，以改进GA的某些性能。

用遗传算法解决问题时，首先要对待解决问题的模型结构和参数进行编码，一般用字符串表示，这个过程就将问题符号化、离散化了