[發明專利]一種基于多目標優化的buck變換器二階濾波器設計方法

在審

• 申請號: 201910098716.2
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109818499A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 張欣
• 申請（專利權）人: 張欣
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158
• 代理公司: 淮安市科翔專利商標事務所 32110
• 代理人: 韓曉斌

本發明公開了一種基于多目標優化的buck變換器二階濾波電路設計方法，此二階濾波電路由電感L及其等效串聯電阻R_L、電容C及其等效串聯電阻ESR組成。本發明優化的多目標為如下四種：電路總損耗，濾波器體積，濾波器截止頻率和濾波器可靠性。多目標優化顯示了多種優化目標的折衷權衡關系，適于為不同的工作環境設計要求設計不同的濾波器參數。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種基于多目標優化的buck變換器二階濾波器設計方法。

背景技術

在工業中，二階LC濾波器是基于電壓電流紋波設計的。改良的設計方法考慮了其他的指標：成本、電壓質量、電磁干擾水平、暫態響應、體積和可靠性。大多數濾波器的改良設計是針對逆變器的；很少工作有對buck變換器的濾波器優化。而目前，隨著分布式能源和電力電子技術的發展，越來越多的buck變換器被應用到電網中、生活中：LED燈的驅動器；電池充電；混合動力汽車應用等。

在buck變換器設計中，損耗是非常重要的因素，它代表了電能傳遞的效率，往往電壓、功率較大時會要求高效率的變換器；體積也是非常重要的因素，因為很多buck變換器被用于手機充電器之類的對體積有很大限制的小場所；再加上，在實際工作場景中，若buck變換器的電容達到最大壽命而損壞，整個變換器都將無法正常工作，因此電容的可靠性是非常重要的設計因數。

已有的濾波器優化設計方法僅考慮單一目標，這樣能將某個指標優化到最優的情況，但是這往往會犧牲其他情況的指標，而且這些方法也不能顯示出多個指標之間的利弊權衡關系。因此，為了能夠滿足不同的設計需求，需要一種多目標優化方法和相應的設計方案。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于多目標優化的應用于buck變換器的二階濾波器設計方法，以使得濾波器的設計能反映出各指標的權衡關系，并且能根據不同的要求和工作情況設計出不同的濾波器參數。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于多目標優化的應用于buck變換器的二階濾波器設計方法，具體步驟包括：

步驟1：收集電容電感的數據，包括電容電感的等效串聯電阻，電容電感的體積，利用線性函數進行擬合，找到電容電感值和等效串聯電阻的關系、電容電感值與體積的關系；

步驟2：根據電路工作的輸出電流、電壓、負載功率的大致范圍，確定是大功率負荷還是中小功率負荷，并粗略選擇濾波器電容電感可行的數量級，確定其變化范圍；

步驟3：根據電容電感大體變化范圍和步驟1擬合得到的線性函數，利用基于遺傳的非支配排序算法NSGA-II求解出多目標的最優的帕累托邊界；

步驟4：根據電路工作的具體要求，如保持效率不變減小體積，盡力增大效率，盡力減小體積，選擇相應的濾波器設計以滿足相應的要求。

步驟1中，從實際有生產的電容電感中收集數據，獲得電容等效串聯電阻 ESR和電感等效串聯電阻R_L的值，并利用線性回歸的方法找到使得誤差最小的直線，這是為了方便步驟3中的電感損耗的計算；在步驟1中，同時收集電感電容的體積數據，并依據下面兩式的，電容、電感體積和其電容值、電感值成正比。

V_C＝(h2/ε)·C

V_L＝(l²/4πμN²)·L

其中，h為電容的高度；ε為電介質常數；l為平均磁路長度；μ為磁導率常數；N為電感繞線匝數；V_C，V_L分別為電容電感的體積。

步驟2中，根據設計的buck變換器工作的輸出電流、電壓、負載功率的大致范圍，確定大概的電感與電容值的范圍，這為了方便后續應用多目標優化算法求解最優的帕累托邊界。