基于fmincon函数的谐振变换器优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法及系统，其首先确定变压器变比和变换器输出电压直流增益最大值及最小值；然后将LLC谐振变换器变换为等效电路，推导得到变换器输出电压直流增益，作为第一约束条件；并根据等效电路，建立变换器损耗模型；分析开关管实现ZVS的条件，作为第二约束条件；最后调用优化设计函数fmincon，对谐振变换器参数进行优化设计。通过将变换器的回路功耗作为谐振变换器参数设计的评价指标，以输出电压直流增益以及开关管实现ZVS的条件作为约束条件，对LLC谐振变换器参数进行综合评估，得到使变换器的各项指标达到最佳平衡的LLC谐振变换器参数，有效提高变换器的整体性能。有效提高变换器的整体性能。有效提高变换器的整体性能。

【技术实现步骤摘要】
基于fmincon函数的谐振变换器优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其是涉及一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法及系统。

技术介绍

[0002]开关电源的发展趋势是高开关频率、高功率密度和小型轻量化。提高变换器的开关频率可以减小变压器的体积，但是开关频率的上升会导致开关损耗大幅增加，而电源的输出效率也会随之大幅降低。为了降低开关损耗，通常利用谐振电路使变换器的开关器件运行在软开关状态。LLC谐振变换器是在传统二阶LC谐振变换器的基础上增加一个并联谐振电感改进而来，相对于传统串、并联谐振变换器在特性上有了明显的改善。近年来，具有软开关特性、宽增益范围的LLC谐振变换器成为功率变换器的研究热门拓扑，并且成功地应用到不同的电源产品中，实现高性能的DC/DC变换。如何通过有效的参数优化设计使得LLC谐振变换器充分发挥其优势，使得变换器的工作频率、回路损耗、输出电压直流增益等指标达到最佳平衡是一直以来的难题，参数设计的不合理将直接影响系统的整体性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法及系统，解决现有参数设计的不合理影响开关电源系统的整体性能的问题。
[0004]为达到上述技术目的，本专利技术提供一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其包括如下步骤：
[0005]获取LLC谐振变换器的性能参数，确定变压器变比和变换器输出电压直流增益最大值及最小值；
[0006]采用基波分析法将LLC谐振变换器变换为等效电路，推导得到变换器输出电压直流增益，作为第一约束条件；
[0007]根据等效电路，建立变换器损耗模型；
[0008]分析开关管实现ZVS的条件，作为第二约束条件；
[0009]调用优化设计函数fmincon，将变换器的总损耗作为目标函数，将变换器输出电压直流增益以及开关管实现ZVS的条件作为约束条件，找到满足约束条件的变换器总损耗最小时的LLC谐振变换器参数。
[0010]本专利技术还提供一种基于fmincon函数的谐振变换器优化系统，其包括如下功能模块：
[0011]参数确定模块，用于获取LLC谐振变换器的性能参数，确定变压器变比和变换器输出电压直流增益最大值及最小值；
[0012]等效电路变换模块，用于采用基波分析法将LLC谐振变换器变换为等效电路，推导得到变换器输出电压直流增益，作为第一约束条件；
[0013]损耗模型建立模块，用于根据等效电路，建立变换器损耗模型；
[0014]条件分析模块，用于分析开关管实现ZVS的条件，作为第二约束条件；
[0015]优化设计模块，用于调用优化设计函数fmincon，将变换器的总损耗作为目标函数，将变换器输出电压直流增益以及开关管实现ZVS的条件作为约束条件，找到满足约束条件的变换器总损耗最小时的LLC谐振变换器参数。
[0016]与现有技术相比，本专利技术通过将变换器的回路功耗作为谐振变换器参数设计的评价指标，以输出电压直流增益以及开关管实现ZVS的条件作为约束条件，对LLC谐振变换器参数进行综合评估，得到使变换器的工作频率、回路损耗、输出电压直流增益等指标达到最佳平衡的LLC谐振变换器参数，有效提高变换器的整体性能。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例所述的基于fmincon函数的谐振变换器优化方法的流程框图；
[0018]图2是LLC谐振变换器的电路原理图；
[0019]图3是LLC谐振变换器等效电路图；
[0020]图4是不同K值下的直流增益曲线图；
[0021]图5是不同Q值下的直流增益曲线图；
[0022]图6是当f
s
＝f
r
时，LLC谐振变换器的工作波形图；
[0023]图7是当f
m
<f
s
<f
r
时，LLC谐振变换器的工作状态波形图；
[0024]图8是本专利技术实施例所述的基于fmincon函数的谐振变换器优化系统的模块原理图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]如图1所示，本专利技术的实施例提供了一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其包括如下步骤：
[0027]S1、获取LLC谐振变换器的性能参数，确定变压器变比和变换器输出电压直流增益最大值及最小值。
[0028]所述LLC谐振变换器的电路原理图如图2所示，所述LLC谐振变换器的性能参数包括：最低输入电压V
inmin
、最高输入电压V
inmax
、额定输入电压V
in
、额定输出电压V
o
、额定输出电流I
o
、额定功率P
o
、负载电阻R
o
、变压器变比N、开关频率f
s
、谐振频率f
r
、死区时间T
d
、开关管结电容C
j
；由变换器性能参数初步确定变压器变比N和变换器输出电压直流增益最大值M
max
及最小值M
min
。
[0029]变压器变比N为：
[0030][0031]输出电压直流增益最大值M
max
为：
[0032][0033]输出电压直流增益最小值M
min
为：
[0034][0035]变换器第一谐振频率f
r
为：
[0036][0037]变换器第二谐振频率f
m
为：
[0038][0039]记变换器开关频率为f
s
，分析变换器工作模态，可知，当f
m
＜f
s
＜f
r
时，谐振网络工作在感性区域，谐振电容C
r
、谐振电感L
r
、励磁电感L
m
共同参与谐振，此模式下变换器可实现整流二极管零电流关断(ZCS)以及开关管的零电压开通(ZVS)；当f
s
>f
r
时，原边开关管都可实现ZVS，但整流二极管为硬关断，存在反向恢复问题；当f
s
＝f
r
时，谐振网络工作在完全谐振状态，由于变换器中变压器的箝位作用，励磁电感两端电压始终稳定在NV
o
，此模式下系统增益与负载无关，仅与变压器变比N有关，系统既可以实现开关管的ZVS又可以实现整流二极管的ZCS。当LLC谐振网络的开关频率f
s
工作在谐振频率f
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其特征在于，包括如下步骤：获取LLC谐振变换器的性能参数，确定变压器变比和变换器输出电压直流增益最大值及最小值；采用基波分析法将LLC谐振变换器变换为等效电路，推导得到变换器输出电压直流增益，作为第一约束条件；根据等效电路，建立变换器损耗模型；分析开关管实现ZVS的条件，作为第二约束条件；调用优化设计函数fmincon，将变换器的总损耗作为目标函数，将变换器输出电压直流增益以及开关管实现ZVS的条件作为约束条件，找到满足约束条件的变换器总损耗最小时的LLC谐振变换器参数。2.根据权利要求1所述一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其特征在于，所述变换器输出电压直流增益M的表达式如下：其中，K为归一化电感K值，N为变压器变比，f
n
为归一化频率，Q为电路的品质因数。3.根据权利要求1所述一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其特征在于，所述变换器损耗模型包括开关管的通态损耗、关断损耗以及整流二极管的通态损耗。4.根据权利要求3所述一种基于fmincon函数的谐振变换器优化方法，其特征在于，所述开关管的通态损耗P
Q_con
的表达式为：其中，f
s
为变换器开关频率，R
ds
为开关管的通态电阻，i
r
(t)为谐振电流瞬时值，T
s
为开关周期；所述开关管的关断损耗P
Q_off
的表达式为：P
Q_off
＝f
s
V
in
(I
r0
t
fall
+2C
j
V
in
)其中，V
in
为额定输入电压，t
fall
为开关管关断电流下降时间，C
j
为开关管结电容，I
r0
为谐振电流初始值；所述整流二极管的通态损耗P
D_con
的表达式为：其中，V

【专利技术属性】
技术研发人员：邓欢，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零九研究所，
类型：发明
国别省市：