开关电源最优设计技术研究_精品文档.pdf

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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、