BUCK DC／DC變換器最優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：為了設(shè)計(jì)出高性能的開關(guān)電源，選擇性能更為優(yōu)越的功率半導(dǎo)體器件，改進(jìn)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇和改進(jìn)控制電路的控制方式，優(yōu)化器件的排列布局等成為必然途徑。從BUCK DC／DC變換器的基本工作原理著手，設(shè)計(jì)了主電路參數(shù)，運(yùn)用非線性規(guī)劃技術(shù)對(duì)該電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)化模型，然后運(yùn)用ORCAD PSPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：運(yùn)用最優(yōu)化設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的優(yōu)越性明顯，提高電路設(shè)計(jì)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：BUCK DC／DC變換器；約束條件；最優(yōu)化設(shè)計(jì)；仿真

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，要求開關(guān)電源具有更高的工作頻率、效率、工作密度、功率因數(shù)、可靠性、電路具有更小的體積和實(shí)用性。為了得到高性能的開關(guān)電源，研究者們?cè)谶x擇性能更為優(yōu)越的功率半導(dǎo)體器件，改進(jìn)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇和改進(jìn)控制電路的控制方式，優(yōu)化器件的排列布局等方面做了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并且取得了許多卓有成效的成果。近年來，人們引入了功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法來解決開關(guān)電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，形成了開關(guān)電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)技術(shù)，在目標(biāo)值與約束條件都能用數(shù)學(xué)公式表達(dá)時(shí)，這種采用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，往往具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，可提高開關(guān)電源的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，本文首先采用傳統(tǒng)方法對(duì)BUCK DC／DC變換器的主電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與器件的選擇，然后提出了設(shè)計(jì)的最優(yōu)化目標(biāo)值和約束條件，從而利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法得到了該變換器的最優(yōu)化模型，對(duì)BUCK DC／DC變換器的最優(yōu)設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 BUCK DC／DC變換器工作原理及參量關(guān)系分析
輸入交流電壓(220V AC)經(jīng)整流濾波后變換為300 V DC，而用電設(shè)備所需要的直流電壓是多種多樣的，降壓型DC／DC變換器主電路(BUCK電路)是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管非隔離型直流變換器，是屬于開關(guān)電源中一種典型的電路，開關(guān)管一般都采用PWM控制方式。

圖l(a)所示為BUCK DC／DC變換器主電路，圖l(b)和圖l(c)給出了CCM下兩種工作模態(tài)的等效電路，圖1(d)為工作波形。由圖l(d)可知：

濾波電感L一般較大，為了減小電流紋波，從而減小濾波電容值，縮小體積，提高電源的功率。但在負(fù)載瞬態(tài)變化過程中，過大的濾波電感限制了能量的傳輸速度，負(fù)載瞬態(tài)變化所需要(或產(chǎn)生)的能量幾乎全部由濾波電容提供(或吸收)，特別在大電流負(fù)載情況下，必須增加濾波電容(一般采用多個(gè)電容并聯(lián)以減小ESL和ESR)，但其缺點(diǎn)是體積增大，電源功率減少。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)中要折衷考慮這兩個(gè)變量。