0.引言

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，各類(lèi)電子設(shè)備在客觀上要求小型化、輕量化和提高可靠性。為了適應(yīng)這種要求要開(kāi)展DC-DC變換器的高頻化研究。在各種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單端反激電路具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低,適合多路輸出。由于電路簡(jiǎn)單，在小功率情況下體積可以做得最小，這種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在小功率的變換器設(shè)計(jì)中得到廣泛采用。

單端反激DC-DC變換器中的變壓器工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)帶有兩個(gè)(或多個(gè))繞組的電感，這一點(diǎn)不同于典型的變壓器[2]。初級(jí)線圈用于磁化磁芯,并且在磁芯損耗方面，磁芯損耗（pL）重要由三部分組成：磁滯損耗（ph），渦流損耗（pe）和剩余損耗（pr）。其他講了一些有關(guān)繞組、磁芯等的基本概念并沒(méi)有提出新意的觀點(diǎn)。在每個(gè)周期開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)能量，次級(jí)線圈用于磁芯的退磁，并將在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)變壓器存儲(chǔ)的能量傳遞給負(fù)載。所以在設(shè)計(jì)高頻反激變壓器時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)的變壓器能傳遞所要的能量。另外，為了設(shè)計(jì)高效率的變換器還要考慮變壓器的功率損耗。

2.單端反激變壓器功率損耗模型的建立

以高頻單端反激變壓器為例推導(dǎo)計(jì)算變壓器總功率損耗的數(shù)學(xué)模型：通過(guò)功率損耗分離的方法可以將變壓器的功率損耗寫(xiě)成磁芯功率損耗與繞組功率損耗的總和[2]。

2.1磁芯功率損耗

變壓器的功率損耗可以分為磁芯功率損耗和繞組功率損耗，而磁芯功率損耗重要是由渦流功率損耗和磁滯功率損耗構(gòu)成的。磁損的計(jì)算公式如下：

2.2繞組損耗

在電力電子領(lǐng)域，為了分析和設(shè)計(jì)在非正弦條件下的傳統(tǒng)高頻變壓器的繞組，陸續(xù)研究出一些實(shí)用的分析方法，一般是通過(guò)分析得到繞組的交流電阻，然后由交流電阻計(jì)算繞組功率損耗。繞組的功率損耗也可以用下面的公式表達(dá)：

其中，Icm為通過(guò)高頻變壓器繞組的電流有效值；Kr為趨膚系數(shù)；ρ為銅的電阻率；MLT為平均匝長(zhǎng)度（單位m/匝）；N為線圈的匝數(shù)；Sa為繞線的橫截面積。

3.優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的變換器設(shè)計(jì)沿用了工頻變壓器的設(shè)計(jì)方法，特點(diǎn)是工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化△B、最大導(dǎo)通比Dmax通常由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定，然后通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)加以調(diào)整，最后完成設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，往往要進(jìn)行反復(fù)的重新設(shè)計(jì)來(lái)積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)變換器的整體設(shè)計(jì)造成影響，要多次重新調(diào)整變換器的整體設(shè)計(jì)，而且往往選擇的參數(shù)并沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。模擬退火算法是一種基于隨機(jī)搜索的最優(yōu)算法，該算法非常適用于工程實(shí)際求解最優(yōu)解。本文提出新的設(shè)計(jì)方法是在最初的設(shè)計(jì)中引入功耗計(jì)算，選擇最小功耗的方法，確定最小功耗前提下的△B和Dmax的最優(yōu)選擇，進(jìn)一步設(shè)計(jì)變換器整體設(shè)計(jì)中的其他參數(shù)。本文探討了在效率最高、損耗最低、溫升最低的約束條件下Bm、J的最優(yōu)值，建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)模擬退火算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).

根據(jù)本文在前面的到的結(jié)論：當(dāng)變壓器初級(jí)銅損等于次級(jí)銅損、磁芯損耗等于繞組損耗時(shí)，變壓器總損耗最小。以反激變換器為入手點(diǎn)，建立方程：

其中：G為磁芯重量；Kr趨膚系數(shù)；K1為Ap余量；K2為銅損余量；磁芯選最為常用的pC40磁芯，則pcv有：

由上式即可求出變壓器總損耗最小時(shí)和D的最佳值。

本文利用模擬退火算法研制300kHz的AC-DC高頻變壓器[4]。其據(jù)以指標(biāo)為：電結(jié)構(gòu)為單端反激，工作方式為持續(xù)電流工作模式，輸入電壓為交流220V，輸出電壓為5V，輸出電流為0.05~2A，工作頻率為300kHz，效率為90％。其中的取值范圍0.0001-0.07T，Dmax的范圍為：0.2-0.5。利用模擬退火算法，退火策略選用指數(shù)型退溫：tk=akt0；其中a為一個(gè)小于零的常數(shù)。a越小，退火速度越快。t0為初始溫度，這里選1000。下圖1所示的為在整個(gè)迭代過(guò)程中，Dmax整體最優(yōu)解的變化過(guò)程。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論推導(dǎo)建立了高頻反激變壓器總功率損耗的數(shù)學(xué)模型，提出利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)和模擬退火算法求解高頻反激變壓器的總功率損耗最小時(shí)△B和Dmax的最優(yōu)取值的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻DC-DC變換器的方法，以單端反激變壓器為例，通過(guò)遺傳算法得到△B、Dmax和Lp的最優(yōu)取值的優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)驗(yàn)證采用這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的反激變換器具有很高的效率.