BUCK DC／DC變換器最優(yōu)化設計

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

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，要求開關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用性。為了得到高性能的開關電源，研究者們在選擇性能更為優(yōu)越的功率半導體器件，改進電路拓撲結(jié)構(gòu)，選擇和改進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，人們引入了功能強大的數(shù)學規(guī)劃方法來解決開關電源的最優(yōu)化設計問題，形成了開關電源的最優(yōu)設計技術，在目標值與約束條件都能用數(shù)學公式表達時，這種采用數(shù)學優(yōu)化方法得到的設計結(jié)果與傳統(tǒng)的設計方法相比，往往具有很強的優(yōu)越性，可提高開關電源的設計質(zhì)量，縮短設計周期，本文首先采用傳統(tǒng)方法對BUCK DC／DC變換器的主電路參數(shù)進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(shù)學規(guī)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)設計具有實際的指導意義。

1 BUCK DC／DC變換器工作原理及參量關系分析
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，是屬于開關電源中一種典型的電路，開關管一般都采用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)變化過程中，過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(一般采用多個電容并聯(lián)以減小ESL和ESR)，但其缺點是體積增大，電源功率減少。因此在實際的設計中要折衷考慮這兩個變量。