[发明专利]一种基于多目标优化的buck变换器二阶滤波器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于多目标优化的buck变换器二阶滤波电路设计方法，此二阶滤波电路由电感L及其等效串联电阻R_L、电容C及其等效串联电阻ESR组成。本发明优化的多目标为如下四种：电路总损耗，滤波器体积，滤波器截止频率和滤波器可靠性。多目标优化显示了多种优化目标的折衷权衡关系，适于为不同的工作环境设计要求设计不同的滤波器参数。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于多目标优化的buck变换器二阶滤波器设计方法。

背景技术

在工业中，二阶LC滤波器是基于电压电流纹波设计的。改良的设计方法考虑了其他的指标：成本、电压质量、电磁干扰水平、暂态响应、体积和可靠性。大多数滤波器的改良设计是针对逆变器的；很少工作有对buck变换器的滤波器优化。而目前，随着分布式能源和电力电子技术的发展，越来越多的buck变换器被应用到电网中、生活中：LED灯的驱动器；电池充电；混合动力汽车应用等。

在buck变换器设计中，损耗是非常重要的因素，它代表了电能传递的效率，往往电压、功率较大时会要求高效率的变换器；体积也是非常重要的因素，因为很多buck变换器被用于手机充电器之类的对体积有很大限制的小场所；再加上，在实际工作场景中，若buck变换器的电容达到最大寿命而损坏，整个变换器都将无法正常工作，因此电容的可靠性是非常重要的设计因数。

已有的滤波器优化设计方法仅考虑单一目标，这样能将某个指标优化到最优的情况，但是这往往会牺牲其他情况的指标，而且这些方法也不能显示出多个指标之间的利弊权衡关系。因此，为了能够满足不同的设计需求，需要一种多目标优化方法和相应的设计方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于多目标优化的应用于buck变换器的二阶滤波器设计方法，以使得滤波器的设计能反映出各指标的权衡关系，并且能根据不同的要求和工作情况设计出不同的滤波器参数。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多目标优化的应用于buck变换器的二阶滤波器设计方法，具体步骤包括：

步骤1：收集电容电感的数据，包括电容电感的等效串联电阻，电容电感的体积，利用线性函数进行拟合，找到电容电感值和等效串联电阻的关系、电容电感值与体积的关系；

步骤2：根据电路工作的输出电流、电压、负载功率的大致范围，确定是大功率负荷还是中小功率负荷，并粗略选择滤波器电容电感可行的数量级，确定其变化范围；

步骤3：根据电容电感大体变化范围和步骤1拟合得到的线性函数，利用基于遗传的非支配排序算法NSGA-II求解出多目标的最优的帕累托边界；

步骤4：根据电路工作的具体要求，如保持效率不变减小体积，尽力增大效率，尽力减小体积，选择相应的滤波器设计以满足相应的要求。

步骤1中，从实际有生产的电容电感中收集数据，获得电容等效串联电阻 ESR和电感等效串联电阻R_L的值，并利用线性回归的方法找到使得误差最小的直线，这是为了方便步骤3中的电感损耗的计算；在步骤1中，同时收集电感电容的体积数据，并依据下面两式的，电容、电感体积和其电容值、电感值成正比。

V_C＝(h2/ε)·C

V_L＝(l²/4πμN²)·L

其中，h为电容的高度；ε为电介质常数；l为平均磁路长度；μ为磁导率常数；N为电感绕线匝数；V_C，V_L分别为电容电感的体积。

步骤2中，根据设计的buck变换器工作的输出电流、电压、负载功率的大致范围，确定大概的电感与电容值的范围，这为了方便后续应用多目标优化算法求解最优的帕累托边界。