[发明专利]一种基于遗传算法和DC-DC变换器建模的参数优化设计方法

说明书

本发明涉及DC‑DC变换器的参数优化设计领域，尤其是一种基于遗传算法和DC‑DC变换器建模的参数优化设计方法，选取DC‑DC变换器的基本拓扑中的电感、电容以及负载电阻作为主要优化参数，采用遗传算法结合DC‑DC变换器建模对参数进行优化设计。衡量DC‑DC变换器工作性能的指标有纹波、阻尼系数等，这些指标可以根据设计需要通过建模得出。该方法有利于对DC‑DC变换器进行参数优化设计，在满足性能要求的前提下，提高设计效率，节约设计成本。

技术领域

本发明涉及DC-DC变换器参数优化设计领域，尤其涉及一种基于遗传算法的DC-DC变换器建模的参数优化设计方法。

背景技术

近年来，随着开关电源技术研究和功率器件的发展，越来越多的关于开关变换器的研究和优化技术得到了越来越多的重视和发展。DC-DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛的应用于无轨电车、地铁、列车、LED照明、计算机、办公自动化设备、军事、航天等各个领域，涉及到国民经济的各行各业。DC-DC变换器优势在于能使控制系统具有更加平稳、快速相应的性能，同时又能起到节约电能的效果。随着世界能源需求的持续增长以及能源形势的持续恶化，节约能源，提高能源利用率得到了越来越多的重视，而DC-DC变换器能够实现在保持较高的电路性能的前提下，大幅度的提高电能利用率。

DC-DC变换器参数优化是指对电路结构中的电感、电容、负载电阻等参数在设计阶段进行优化，满足设计要求，得到较为合适的参数设计方案。这一概念自DC-DC变换器诞生以来就一直得到相关研究人员的重视。DC-DC变换器各个性能之间的优异是相冲突的，并不是一致性，而且变换器系统属于非线性系统，这使得DC-DC变换器参数优化是个具有多目标性、不确定性、非线性和多阶段性特点的复杂优化问题在传统的建模设计优化方法中很难得到效果良好的参数设计。目前并没有具体的参数设计方法使得变换器的各个性能指标(如效率、纹波、稳定性、抗扰动能力等)之间达到很好的平衡。

在DC-DC变换器设计阶段通常会对其进行建模分析，建模方式各不相同。如图1所示为统一电路模型。包括一个等效电压源1，值为一个等效电流源2，值为一个等效电压源3，值为一个互感4，线圈比为1:M(D)；一个等效电感5，值为L_e；一个电容6值为C；一个负载电阻7值为R。基本DC-DC变换器统一电路模型参数见表1：

由统一电路模型又可推导出各种变换器的输入和控制对输出的传递函数。如表2：

通过建模可以得到各个性能指标与参数的关系。

有些性能指标还可以直接通过基本拓扑工作的过程进行数学分析直接得到。如图2所示为一个BUCK型DC-DC变换器的电路基本拓扑结构。包括一个直流电源1，一个功率开关器件2，一个电感3，一个电容4，一个负载电阻5，一个二极管6。

如图3所示，为BUCK变换器工作在功率开关为开的状态，直流电源导通形成回路，有电流流过电感L，电流线性增加，在负载R上流过电流也线性增加，同时对电容C充电。

如图4所示，为BUCK变换器工作在功率开关为关的状态，直流电源断开，由于电感L的工作特性，保持电感电流不变。此时，电容C释放前一阶段充的电量，保持负载R两端的输出电压。两个状态持续交替，负载R两端的输出电压逐渐上升，直到开关开状态电容C所存储的电量刚好平衡负载R在开关关状态下输出电压所需的电量，变换器稳定工作。

导通时其实为一个二阶系统，其时域模型为：

式中，V_in为电源电压，V_O为输出电压，阻尼比：