正激變換器的五維可視化優化設計

秦 雨，王潤新

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正激變換器的五維可視化優化設計

秦 雨，王潤新

（上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

本文對正激變換器進行了輸出本安特性分析，從滿足紋波電壓指標和最大輸出短路放電能量最小的角度，采用五維數據可視化技術，在MATLAB環境下通過程序設計展現全局的值域分布，從而對電感、電容參數進行優化設計，以提高電路的穩定性。

正激變換器 五維可視化 優化設計

0 引言

隨著PWM技術的不斷發展和完善，開關型DC-DC變換器在蓄電池儲能系統、電池電源管理等直流供電系統中得到愈來愈多的應用[1]。正激變換器使用DC-DC變換器，具有電路拓撲簡單，電壓和電流應力小，輸入輸出電氣隔離和易于集成等優點，廣泛應用于多種電源變換的場合。

多維數據可視化比多維數組和多元函數直觀、信息量大、用途廣泛?？茖W計算時，借助多維數據場可視化，可用視覺來判斷數據變化規律，評估解的全局分布及其魯棒性[2]。

由于正激變換器電路中包含濾波電容和大電感等儲能元件，在輸出短路的情況下，即便快速斷開電路也會造成較大的電火花。因此在電容、電感參數的選擇上，不僅要考慮電路指標要求，還要考慮最大短路輸出能量。文獻[3]已給出紋波電壓和最大短路輸出能量的表達式，但是其表達式過于復雜，直接通過表達式觀察解的分布是十分困難的。對于此類非線性優化問題的求解，通常都是求某個局部范圍內的最優解，要想求全局最優解通常是很難做到的。本文采用多維可視化的方法進行優化設計，目標函數的分布狀況清晰可見，從而方便直觀地對全局數值分布進行把控。

正激變換器工作模式可分為輸入電流連續模式（continuous current mode, CCM)和輸入電流斷續模式(discontinuous current mode, DCM)兩大類。由于DCM下表達式更為復雜，本文以DCM為例，從滿足紋波電壓指標和最大輸出短路放電能量最小的角度，在MATLAB環境下采用五維數據可視化技術，對DCM下變換器的電感、電容進行優化設計，從而提高電路的穩定性。

1 正激變換器的特性分析

1.1 正激變換器的輸出本安特性分析

正激變換器的拓撲如圖1所示。變換器要求滿足本質安全的要求，即在正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸物。

圖1 正激變換器

正激變換器工作于DCM時，

當正激變換器在給定的輸入電壓和負載動態變化范圍內時，只要確保在整個動態范圍內的最大輸出紋波電壓小于期望的紋波電壓，就能滿足正激變換器的指標要求。輸出紋波電壓的峰峰值：

電感中流過的最大電流

1.2 最大輸出短路能量

當輸出出現短路故障時，由于其電感和電容儲能會產生很大電火花，釋放的能量，稱為輸出短路能量。正激變換器的輸出發生短路時，最大輸出短路釋放能量max為輸出濾波電容儲存的最大能量與儲能濾波電感的最大能量的和，即

其中LP,max為最大電感峰值電流，pp為輸出紋波電壓的峰峰值。

2 正激變換器的五維可視化

2.1 五維可視化

可視化算法直接從多個目標出發，能直觀的觀察出滿足目標要求的解的范疇，方便的提取出所需的范圍，如果需要改變設計目標，只要修改程序中的幾個數據即可。要通過可視化的方法表示四個自變量和一個因變量，需要在可視化圖形中建立五個維度的變量。用MATLAB軟件通過可視化方法表達四個自變量和一個因變量，可以方便的觀察在四個自變量不同取值時候因變量的變化，對全局有一個很好的把控，具體步驟如下：

2.2 正激變換器的五維可視化

要進行設計的變換器參數為：=100 kHz，輸出電壓0=18 V，變壓器原邊匝數為27匝，變壓器副邊匝數為34匝，即=2:1=1.26。

、、、V在可視化程序中的取值范圍為：

2.2.1五維可視化程序設計

五維可視化程序流程框圖如圖2所示。

圖2 五維可視化程序流程圖

建立四元函數，因變量用顏色表達，自變量用三維空間坐標軸和進度條加圖形矩陣來表達。

為避免因為公式和程序過于復雜，從而在編程過程中出現錯誤，引入了中間參數。

程序中用到的關鍵函數有：meshgrid, contourslice, waitbar。其中meshgrid是為了將數組轉換為矩陣形式便于運算，coutourslice畫等高線切片圖并用顏色來區分以表達因變量，waitbar用來引入進程條表達第四個自變量。

2.2.2 輸出紋波電壓峰峰值的可視化

設計電路時通常會有最大輸出紋波電壓pp.DCM的指標要求，為了直觀的顯示出變換器參數、、、V與其輸出紋波電壓峰峰值pp,DCM(R, L, C, V)的關系，對式（1）編程，觀察圖像中pp,DCM的取值，從而選取合適的，取值。

當V=44 V時，得到pp,DCM(R, L, C, V)如圖3所示。當V=57 V時，得到pp,DCM(R, L,C,V)如圖4所示。

在繪制可視化圖形時需注意：1）不同設計條件的取值范圍也不同；2）在計算機上可對五維數據場進行局部放大和旋轉，方便觀察；3)寫程序時要首先排除魯棒性不好的值域。

圖3 輸入電壓為44V時的可視化圖形

2.2.3最大輸出短路能量的可視化

正激變換器輸出短路火花釋放的最大能量即最大輸出短路能量，通常我們會希望選取合適的值，使得最大輸出短路能量較小，從而優化電路性能。

圖4 輸入電壓為56 V時的可視化圖形

將式（1）、（2）代入式（3），即可得到最大輸出短路能量的表達式max(R,L,C,V)，同樣對表達式編程，畫出可視化圖像如圖5、圖6所示。從圖像中可直觀的看出、、、對max取值的影響，觀察合適的、范圍。

數據場可視化的分析：觀察圖像可看出最大輸出短路能量的取值分布，要使最大輸出短路能量盡量小，即選取深色區域的分布區間的取值。

圖5 輸入電壓為44 V時的可視化圖形

圖6 輸入電壓為56 V時的可視化圖形

3 結束語

本文對正激變換器的輸出本安特性進行了分析，針對其最大紋波電壓以及最大短路輸出能量的要求，采用五維可視化算法來進行優化設計，設計過程相對直觀、簡便，在設計階段具有較大的數據選擇余地。

[1] KARNJANAPIBOON CJIRASEREEAMORNKUL K, MONYAKUL V. Charge equalized module for serially connected VRLA battery string using quasi-resonant flyback converter[C]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. Taichung: IEEE, 2010: 2148-2153.

[2] 歐海英, 張為華, 趙經成, 等. 設計優化可視化研究綜述[J]. 系統仿真學報, 2008, 20(20): 5431-5437.

[3] 李軍, 楊劍泳, 程紅. 輸出本質安全型正激變換器的優化設計[J]. 煤炭工程, 2010(5).

[4] 劉樹林, 劉健. 開關變換器分析與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[5] 伍家駒, 劉斌. 逆變器理論及其優化設計的可視化算法[M]. 北京: 科學出版社, 2017.

Five-dimensional Visual Analysis and Design Optimization of Forward Converter

Qin Yu, Wang Runxin

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM46

A

1003-4862（2018）08-0041-04

2018-03-23

秦雨（1995-），女，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 1050873520@qq.com