BUCK DC／DC變換器最優化設計

摘要：為了設計出高性能的開關電源，選擇性能更為優越的功率半導體器件，改進電路拓撲結構，選擇和改進控制電路的控制方式，優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，運用非線性規劃技術對該電路進行優化設計，得到最優化模型，然后運用ORCAD PSPICE軟件對電路進行仿真，仿真結果表明：運用最優化設計所體現的優越性明顯，提高電路設計質量。
關鍵詞：BUCK DC／DC變換器；約束條件；最優化設計；仿真

隨著電力電子技術的不斷發展，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、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越的功率半導體器件，改進電路拓撲結構，選擇和改進控制電路的控制方式，優化器件的排列布局等方面做了大量的優化設計工作，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學規劃方法來解決開關電源的最優化設計問題，形成了開關電源的最優設計技術，在目標值與約束條件都能用數學公式表達時，這種采用數學優化方法得到的設計結果與傳統的設計方法相比，往往具有很強的優越性，可提高開關電源的設計質量，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行了設計與器件的選擇，然后提出了設計的最優化目標值和約束條件，從而利用數學規劃方法得到了該變換器的最優化模型，對BUCK DC／DC變換器的最優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，負載瞬態變化所需要(或產生)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。