BUCK DC／DC變換器最優(yōu)化設計

摘要：為了設計出高性能的開(kāi)關(guān)電源，選擇性能更為優(yōu)越的功率半導體器件，改進(jìn)電路拓撲結構，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(zhù)手，設計了主電路參數，運用非線(xiàn)性規劃技術(shù)對該電路進(jìn)行優(yōu)化設計，得到最優(yōu)化模型，然后運用ORCAD PSPICE軟件對電路進(jìn)行仿真，仿真結果表明：運用最優(yōu)化設計所體現的優(yōu)越性明顯，提高電路設計質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：BUCK DC／DC變換器；約束條件；最優(yōu)化設計；仿真

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，要求開(kāi)關(guān)電源具有更高的工作頻率、效率、工作密度、功率因數、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(kāi)關(guān)電源，研究者們在選擇性能更為優(yōu)越的功率半導體器件，改進(jìn)電路拓撲結構，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)化設計工作，并且取得了許多卓有成效的成果。近年來(lái)，人們引入了功能強大的數學(xué)規劃方法來(lái)解決開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)化設計問(wèn)題，形成了開(kāi)關(guān)電源的最優(yōu)設計技術(shù)，在目標值與約束條件都能用數學(xué)公式表達時(shí)，這種采用數學(xué)優(yōu)化方法得到的設計結果與傳統的設計方法相比，往往具有很強的優(yōu)越性，可提高開(kāi)關(guān)電源的設計質(zhì)量，縮短設計周期，本文首先采用傳統方法對BUCK DC／DC變換器的主電路參數進(jìn)行了設計與器件的選擇，然后提出了設計的最優(yōu)化目標值和約束條件，從而利用數學(xué)規劃方法得到了該變換器的最優(yōu)化模型，對BUCK DC／DC變換器的最優(yōu)設計具有實(shí)際的指導意義。

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(kāi)關(guān)電源中一種典型的電路，開(kāi)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。但在負載瞬態(tài)變化過(guò)程中，過(guò)大的濾波電感限制了能量的傳輸速度，負載瞬態(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)際的設計中要折衷考慮這兩個(gè)變量。