正激變換器的五維可視化優(yōu)化設(shè)計

秦 雨，王潤新

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正激變換器的五維可視化優(yōu)化設(shè)計

秦 雨，王潤新

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

本文對正激變換器進(jìn)行了輸出本安特性分析，從滿足紋波電壓指標(biāo)和最大輸出短路放電能量最小的角度，采用五維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，在MATLAB環(huán)境下通過程序設(shè)計展現(xiàn)全局的值域分布，從而對電感、電容參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高電路的穩(wěn)定性。

正激變換器 五維可視化 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

隨著PWM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)型DC-DC變換器在蓄電池儲能系統(tǒng)、電池電源管理等直流供電系統(tǒng)中得到愈來愈多的應(yīng)用[1]。正激變換器使用DC-DC變換器，具有電路拓?fù)浜唵?，電壓和電流?yīng)力小，輸入輸出電氣隔離和易于集成等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多種電源變換的場合。

多維數(shù)據(jù)可視化比多維數(shù)組和多元函數(shù)直觀、信息量大、用途廣泛?？茖W(xué)計算時，借助多維數(shù)據(jù)場可視化，可用視覺來判斷數(shù)據(jù)變化規(guī)律，評估解的全局分布及其魯棒性[2]。

由于正激變換器電路中包含濾波電容和大電感等儲能元件，在輸出短路的情況下，即便快速斷開電路也會造成較大的電火花。因此在電容、電感參數(shù)的選擇上，不僅要考慮電路指標(biāo)要求，還要考慮最大短路輸出能量。文獻(xiàn)[3]已給出紋波電壓和最大短路輸出能量的表達(dá)式，但是其表達(dá)式過于復(fù)雜，直接通過表達(dá)式觀察解的分布是十分困難的。對于此類非線性優(yōu)化問題的求解，通常都是求某個局部范圍內(nèi)的最優(yōu)解，要想求全局最優(yōu)解通常是很難做到的。本文采用多維可視化的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，目標(biāo)函數(shù)的分布狀況清晰可見，從而方便直觀地對全局?jǐn)?shù)值分布進(jìn)行把控。

正激變換器工作模式可分為輸入電流連續(xù)模式（continuous current mode, CCM)和輸入電流斷續(xù)模式(discontinuous current mode, DCM)兩大類。由于DCM下表達(dá)式更為復(fù)雜，本文以DCM為例，從滿足紋波電壓指標(biāo)和最大輸出短路放電能量最小的角度，在MATLAB環(huán)境下采用五維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對DCM下變換器的電感、電容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而提高電路的穩(wěn)定性。

1 正激變換器的特性分析

1.1 正激變換器的輸出本安特性分析

正激變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。變換器要求滿足本質(zhì)安全的要求，即在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸物。

圖1 正激變換器

正激變換器工作于DCM時，

當(dāng)正激變換器在給定的輸入電壓和負(fù)載動態(tài)變化范圍內(nèi)時，只要確保在整個動態(tài)范圍內(nèi)的最大輸出紋波電壓小于期望的紋波電壓，就能滿足正激變換器的指標(biāo)要求。輸出紋波電壓的峰峰值：

電感中流過的最大電流

1.2 最大輸出短路能量

當(dāng)輸出出現(xiàn)短路故障時，由于其電感和電容儲能會產(chǎn)生很大電火花，釋放的能量，稱為輸出短路能量。正激變換器的輸出發(fā)生短路時，最大輸出短路釋放能量max為輸出濾波電容儲存的最大能量與儲能濾波電感的最大能量的和，即

其中LP,max為最大電感峰值電流，pp為輸出紋波電壓的峰峰值。

2 正激變換器的五維可視化

2.1 五維可視化

可視化算法直接從多個目標(biāo)出發(fā)，能直觀的觀察出滿足目標(biāo)要求的解的范疇，方便的提取出所需的范圍，如果需要改變設(shè)計目標(biāo)，只要修改程序中的幾個數(shù)據(jù)即可。要通過可視化的方法表示四個自變量和一個因變量，需要在可視化圖形中建立五個維度的變量。用MATLAB軟件通過可視化方法表達(dá)四個自變量和一個因變量，可以方便的觀察在四個自變量不同取值時候因變量的變化，對全局有一個很好的把控，具體步驟如下：

2.2 正激變換器的五維可視化

要進(jìn)行設(shè)計的變換器參數(shù)為：=100 kHz，輸出電壓0=18 V，變壓器原邊匝數(shù)為27匝，變壓器副邊匝數(shù)為34匝，即=2:1=1.26。

、、、V在可視化程序中的取值范圍為：

2.2.1五維可視化程序設(shè)計

五維可視化程序流程框圖如圖2所示。

圖2 五維可視化程序流程圖

建立四元函數(shù)，因變量用顏色表達(dá)，自變量用三維空間坐標(biāo)軸和進(jìn)度條加圖形矩陣來表達(dá)。

為避免因為公式和程序過于復(fù)雜，從而在編程過程中出現(xiàn)錯誤，引入了中間參數(shù)。

程序中用到的關(guān)鍵函數(shù)有：meshgrid, contourslice, waitbar。其中meshgrid是為了將數(shù)組轉(zhuǎn)換為矩陣形式便于運算，coutourslice畫等高線切片圖并用顏色來區(qū)分以表達(dá)因變量，waitbar用來引入進(jìn)程條表達(dá)第四個自變量。

2.2.2 輸出紋波電壓峰峰值的可視化

設(shè)計電路時通常會有最大輸出紋波電壓pp.DCM的指標(biāo)要求，為了直觀的顯示出變換器參數(shù)、、、V與其輸出紋波電壓峰峰值pp,DCM(R, L, C, V)的關(guān)系，對式（1）編程，觀察圖像中pp,DCM的取值，從而選取合適的，取值。

當(dāng)V=44 V時，得到pp,DCM(R, L, C, V)如圖3所示。當(dāng)V=57 V時，得到pp,DCM(R, L,C,V)如圖4所示。

在繪制可視化圖形時需注意：1）不同設(shè)計條件的取值范圍也不同；2）在計算機上可對五維數(shù)據(jù)場進(jìn)行局部放大和旋轉(zhuǎn)，方便觀察；3)寫程序時要首先排除魯棒性不好的值域。

圖3 輸入電壓為44V時的可視化圖形

2.2.3最大輸出短路能量的可視化

正激變換器輸出短路火花釋放的最大能量即最大輸出短路能量，通常我們會希望選取合適的值，使得最大輸出短路能量較小，從而優(yōu)化電路性能。

圖4 輸入電壓為56 V時的可視化圖形

將式（1）、（2）代入式（3），即可得到最大輸出短路能量的表達(dá)式max(R,L,C,V)，同樣對表達(dá)式編程，畫出可視化圖像如圖5、圖6所示。從圖像中可直觀的看出、、、對max取值的影響，觀察合適的、范圍。

數(shù)據(jù)場可視化的分析：觀察圖像可看出最大輸出短路能量的取值分布，要使最大輸出短路能量盡量小，即選取深色區(qū)域的分布區(qū)間的取值。

圖5 輸入電壓為44 V時的可視化圖形

圖6 輸入電壓為56 V時的可視化圖形

3 結(jié)束語

本文對正激變換器的輸出本安特性進(jìn)行了分析，針對其最大紋波電壓以及最大短路輸出能量的要求，采用五維可視化算法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計過程相對直觀、簡便，在設(shè)計階段具有較大的數(shù)據(jù)選擇余地。

[1] KARNJANAPIBOON CJIRASEREEAMORNKUL K, MONYAKUL V. Charge equalized module for serially connected VRLA battery string using quasi-resonant flyback converter[C]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Taichung: IEEE, 2010: 2148-2153.

[2] 歐海英, 張為華, 趙經(jīng)成, 等. 設(shè)計優(yōu)化可視化研究綜述[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2008, 20(20): 5431-5437.

[3] 李軍, 楊劍泳, 程紅. 輸出本質(zhì)安全型正激變換器的優(yōu)化設(shè)計[J]. 煤炭工程, 2010(5).

[4] 劉樹林, 劉健. 開關(guān)變換器分析與設(shè)計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[5] 伍家駒, 劉斌. 逆變器理論及其優(yōu)化設(shè)計的可視化算法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2017.

Five-dimensional Visual Analysis and Design Optimization of Forward Converter

Qin Yu, Wang Runxin

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM46

A

1003-4862（2018）08-0041-04

2018-03-23

秦雨（1995-），女，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 1050873520@qq.com