一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法技术

本发明专利技术公开一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法，涉及LLC谐振变换器设计技术领域；首先通过数值分析法确定出只工作于PO模态的谐振腔参数空间；然后通过设置约束条件确定出最终的参数空间，基于自适应多项式逼近方法建立起优化目标以及参数空间的代理模型，同时也将参数空间利用自适应多项式逼近方法建立起代理模型；采用NSGA

【技术实现步骤摘要】
Electrical Drives， Automation and Motion, 2006. SPEEDAM 2006., 2006, pp. 200
‑
207, doi: 10.1109/SPEEDAM.2006.1649771.]采用FHA方法给出了逐步设计LLC变换器谐振腔三参数的步骤，但设计过程中仅考虑了ZVS实现约束，并没有考虑谐振电容最大电压应力约束，以及没有对LLC变换器进行效率优化。
[0006]文献[Y. Wei, T. Pereira, Y. Pan, M. Liserre, F. Blaabjerg and H. A. Mantooth, "RMS Current based Automated Optimal Design Tool for LLC Resonant Converters," 2022 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2022, pp. 2146
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2153, doi: 10.1109/APEC43599.2022.9773532.]选择以谐振电流有效值作为优化目标，满足功率损耗、最大最小频率等约束，设计出了最优参数，但其优化目标单一，设计过程稍显复杂。
[0007]文献[X. Fang et al., "Efficiency
‑
Oriented Optimal Design of the LLC Resonant Converter Based on Peak Gain Placement," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 5, pp. 2285
‑
2296, May 2013, doi: 10.1109/TPEL.2012.2211895]在时域分析基础上，提出以谐振电流最小为优化目标的峰值增益配置的优化设计方法，但其在设计过程中需联立多组超越方程求解，并且其考虑实现ZVS约束并不充分，也忽略了谐振电容最大电压应力约束，优化目标也比较单一。
[0008]文献[X. Fang et al., "Efficiency
‑
Oriented Optimal Design of the LLC Resonant Converter Based on Peak Gain Placement," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 5, pp. 2285
‑
2296, May 2013, doi: 10.1109/TPEL.2012.2211895]采用基于变换器功率损耗模型的计算机辅助方法优化设计LLC变换器，但是其在设计过程中，工况设置不太合理，输入电压是有一个变化区间，而不是固定的输入电压。
[0009]文献[Y. Wei, Q. Luo, Z. Wang and H. A. Mantooth, "A Complete Step
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by
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Step Optimal Design for LLC Resonant Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 4, pp. 3674
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3691, April 2021, doi: 10.1109/TPEL.2020.3015094.]采用时域分析方法，在PO模态最坏情况下，通过谐振电容电压应力、谐振电流有效值等作为约束，逐步设计出最优参数的LLC谐振变换器，但是其设计过程并没有程序化，比较复杂。

技术实现思路

[0010]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法，将谐振电流、副边电流、磁芯损耗与谐振腔三参数的关系建立起显示多项式表达式的代理模型，在PO模态最坏工况下，满足原边ZVS、最小开关频率、谐振电容最大电压应力的约束下，进行多目标优化指导设计谐振腔三个参数。技术方案如下：一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法，包括以下步骤：步骤1：利用LLC谐振变换器工作模态约束、最小开关频率约束、原边ZVS实现约束、谐振电容电压应力约束，来确定PO模态中谐振腔三参数：谐振电感L
r
、励磁电感L
m
、谐振电容C
r
的设计范围，形成封闭的谐振腔三参数的参数空间；步骤2：采用自适应多项式逼近方法将谐振电流有效值I
r_rms
、副边电流有效值
I
s_rms
和变压器磁芯损耗P
Fe
，与谐振腔三参数的关系建立起显式多项式表达式的代理模型，同时也将参数空间利用自适应多项式逼近方法建立起代理模型；步骤3：采用NSGA
‑
II算法进行多目标优化，成功设计出最优参数。
[0011]进一步的，所述步骤1中以LLC谐振变换器工作模态约束确定谐振腔三参数的参数空间具体包括：步骤A1：选择在PO模态与PON模态临界模态进行参数设计，即在输入电压最小，输出功率最大这一点进行LLC变换器参数设计；步骤A2：将谐振腔三参数中的两参数以特定步长递增，求出另一参数在这两参数变化的同时，工作在PO模态边界极限值的方法确定出谐振腔三参数的参数空间；步骤A3：采取以谐振电感L
r
与谐振电容C
r
分别以特定步长，进行递增，以工作模态边界极限的L
m
作为因变量，形成一个参数空间，上边界为工作模态PO与PON之间的边界，下边界为工作模态OPO与PO之间的边界，PO模态工作于上下边界之间的空间。
[0012]更进一步的，所述步骤1中以最小开关频率约束确定谐振腔三参数的参数空间具体包括：步骤B1：通过数值分析法求出开关周期T
s
，则LLC谐振变换器的开关频率f
s
为：（1）步骤B2：绘制出开关频率f
s
随励磁电感L
m
变化而变化的趋势图，由所述趋势图得出最小开关频率f
s
对应着最大励磁电感值，则在寻找工作模态边界极限的励磁电感值时，由于下边界是OPO工作模态与PO模态边界，故对应着PO模态励磁电感L
m
取的最小值，下边界不变；步骤B3：将上边界重新确定，以最小开关频率为约束，提前在上边界PO/PON边界极限确定前跳出循环，确定出上边界的极限励磁电感值。
[0013]更进一步的，所述步骤1中以原边ZVS实现约束确定谐振腔三参数的参数空间具体为：步骤C1：为保证原边开关管能实现ZVS，流经励磁电感的初始电流I
m
需满足在死区时间内对开关管的结电容充分放电，由此得到实现ZVS条件为：（2）其中，t
dead
为两个主开关管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
I
ZVS.min
为实现ZVS的最小电流值；V
in
为输入电压；步骤C2：流经励磁电感L
m
的初始电流I
m
的表达式为：（3）其中，N为变压器匝比；V
o
为输出电压；f
r
为中间量，且；由上式知，最小初始电流I
m
对应着最大励磁电感值；则在最小开关频率约束的基础上，寻找工作模态边界极限的励磁电感值时，下边界不变；步骤C3：将上边界重新确定，以ZVS实现为约束，提前在上边界PO/PON边界极限确定前跳出循环，确定出上边界的极限励磁电感值。5.根据权利要求4所述的一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述步骤1中以谐振电容电压应力约束确定谐振腔三参数的参数空间具体为：步骤D1：当LLC谐振变换器工作于PO模态时，谐振电容电压应力最大值表示为：（4）其中，I
LrP
为P模态下流过谐振电感电流的幅值；ωr为谐振电感和谐振电容共振的角频率；步骤D2：由上式绘制谐振电容最大电压应力随励磁电感变化的趋势图，由所述趋势图得出谐振电容最大电压应力对应着最小励磁电感值，则在寻找工作模态边界极限的励磁电感值时，上边界保持不变；下边界得与谐振电容最大电压应力约束相结合，形成一个新的下边界。6.根据权利要求5所述的一种基于自适应多项式逼近的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1：建立参数空间上边界代理模型确定谐振电容电压应力切割后的三维曲面的上边界为最终形成的参数空间的上边界，采用勒让德多项式作为正交基底进行自适应多项式逼近，得到逼近出的参数空间上边界的代理模型；将参数空间上边界预测的代理模型的多项式表达式记为f
1(Cr,Lr)
；步骤2.2：建立参数空间下边界代理模型分别建立起谐振电容最大电压应力约束和工作模态PO和OPO的边界约束的代理模型，采用勒让德多项式做为正交基底，通过自适应多项式逼近法建立工作模态OPO与PO的边界约束的代理模型，以及谐振电容最大电压应力约束的代理模型；将工作模态PO和OPO的边界和谐振电容最大电压应力约束代理模型的多项式表达式分别记为f
2(Cr,Lr)
、f
3(Cr,Lr)
；步骤2.3：建立谐振电流有效值I
r_rms
、副边电流有效值I
s_rms
和变压器磁芯损耗P
Fe
与谐振腔三参数关系的代理模型I
r_rms
是对PO模态下一个开关周期内的谐振电流求有效值，将I
r_rms
表示为：
（5）其中，Δt
x
为变换器工作于P模态的时间；是在P模态下流过的谐振电感电流，且，I
LrP
和φ
P
是在P模态下流过谐振电感电流的幅值和初始相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：周步祥，张淼，罗欢，邱一苇，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：