BUCK DC／DC变换器最优化设计

摘要：为了出高性能的开关电源，选择性能更为优越的功率半导体器件，改进电路拓扑结构，选择和改进控制电路的控制方式，优化器件的排列布局等成为必然途径。从 ／的基本工作原理着手，了主电路参数，运用非线性规划技术对该电路进行优化，得到模型，然后运用ORCAD PSPICE软件对电路进行仿真，仿真结果表明：运用设计所体现的优越性明显，提高电路设计质量。
关键词： ／DC；约束条件；设计；仿真

随着电力电子技术的不断发展，要求开关电源具有更高的工作频率、效率、工作密度、功率因数、可靠性、电路具有更小的体积和实用性。为了得到高性能的开关电源，研究者们在选择性能更为优越的功率半导体器件，改进电路拓扑结构，选择和改进控制电路的控制方式，优化器件的排列布局等方面做了大量的优化设计工作，并且取得了许多卓有成效的成果。近年来，人们引入了功能强大的数学规划方法来解决开关电源的最优化设计问题，形成了开关电源的最优设计技术，在目标值与约束条件都能用数学公式表达时，这种采用数学优化方法得到的设计结果与传统的设计方法相比，往往具有很强的优越性，可提高开关电源的设计质量，缩短设计周期，本文首先采用传统方法对 的主电路参数进行了设计与器件的选择，然后提出了设计的最优化目标值和约束条件，从而利用数学规划方法得到了该变换器的最优化模型，对BUCK 变换器的最优设计具有实际的指导意义。

1 BUCK 变换器工作原理及参量关系分析
输入交流电压(220V AC)经整流滤波后变换为300 V DC，而用电设备所需要的直流电压是多种多样的，降压型DC／DC变换器主电路(BUCK电路)是一种输出电压小于输入电压的单管非隔离型直流变换器，是属于开关电源中一种典型的电路，开关管一般都采用PWM控制方式。

图l(a)所示为BUCK DC／DC变换器主电路，图l(b)和图l(c)给出了CCM下两种工作模态的等效电路，图1(d)为工作波形。由图l(d)可知：

滤波电感L一般较大，为了减小电流纹波，从而减小滤波电容值，缩小体积，提高电源的功率。但在负载瞬态变化过程中，过大的滤波电感限制了能量的传输速度，负载瞬态变化所需要(或产生)的能量几乎全部由滤波电容提供(或吸收)，特别在大电流负载情况下，必须增加滤波电容(一般采用多个电容并联以减小ESL和ESR)，但其缺点是体积增大，电源功率减少。因此在实际的设计中要折衷考虑这两个变量。