一种低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法

技术领域

本发明涉及直流稳压电源领域，尤其涉及一种低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法。

背景技术

针对目前低纹波高稳定度直流稳压电源存在电路结构复杂、体积大等不足，专利“一种低纹波可调直流稳压电源及其控制方法(专利号：ZL202211033703.5)”提出了一种结构简单的低纹波可调直流稳压电源拓扑结构，该拓扑结构由三相PWM整流电路、三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路及三相桥式不可控整流电路组成。然而在该直流稳压电源拓扑结构中，其三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路中功率开关的开关频率不仅会对电源的损耗也即电源的输出效率造成直接影响，而且会对电源输出直流电压纹波系数造成较大影响，同时其开关频率还与电源输出直流电压的大小密切相关，也即在不同输出直流电压下对其开关频率有不同的要求。

因此如何针对该直流稳压电源在不同输出电压下获得其最优开关频率，以获得相应的最佳电源输出效率与输出电压纹波系数，进而研究确定其最优开关频率与其输出直流电压间的变化规律，对于实现该直流稳压电源在任意输出电压下均能通过实时调节其最优开关频率以获得相应的最佳输出效率与输出电压纹波系数奠定基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：本发明提供一种低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法，实现直流稳压电源在任意输出电压下均能通过实时调节其最优开关频率以获得相应的最佳输出效率与输出电压纹波系数。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立直流稳压电源中三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路的状态微分方程；

步骤S2，建立直流稳压电源的总损耗功率与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型；

步骤S3，建立直流稳压电源输出电压纹波系数与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型；

步骤S4，以功率开关频率为优化对象，以直流稳压电源输出效率和输出电压纹波系数为优化目标，建立优化对象与优化目标间的数学模型；

步骤S5，根据步骤S4所建立的数学模型，采用指数分布优化算法进行优化，得到直流稳压电源在某一输出电压下的最优开关频率；

步骤S6，根据步骤S5最优开关频率及其相应的输出电压值，采用数值拟合方法得到直流稳压电源最优开关频率与其输出电压间的函数关系式。

作为上述技术方案的进一步改进为：

上述方案中，优选地，所述步骤S1中，三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路为三相对称的电路结构，其中一相Buck-Boost中频逆变电路中两个功率开关Q1和Q2为互补工作状态，分别建立该相Buck-Boost中频逆变电路在两个互补工作状态下的状态微分方程。

上述方案中，优选地，所述步骤S2中，先在直流稳压电源的额定输出电压范围内任取某一电压值为起点，并按等间距选取n组电压值；再根据所确定的每组电压值以及步骤S1所建立的状态微分方程，分别建立直流稳压电源的总损耗功率及输出电压纹波系数与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型。

上述方案中，优选地，所述步骤S2中，具体包括以下步骤：

S2-1，根据步骤S1的状态微分方程，计算三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路的损耗功率；

S2-2，计算三相不可控整流电路的损耗功率，以及三相PWM整流电路的损耗功率；

S2-3，基于S2-1和S2-2，得到直流稳压电源总损耗功率与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型。

上述方案中，优选地，所述步骤S3中，具体包括以下步骤：

S3-1，根据Buck-Boost中频逆变电路中功率开关所允许的最高开关频率，在该频率范围内等间距选取m组开关频率值；

S3-2，针对S3-1所选取的每组开关频率值，以及所设定的直流稳压电源输出直流电压值，构建直流稳压电源的电路模型，得到相应的输出直流电压波形；

S3-3，根据S3-2所得输出直流电压波形，得到其输出直流电压的纹波系数；

S3-4，改变功率开关的开关频率值，依次获得相应的纹波系数；

S3-5，根据所得m组开关频率及其相应的纹波系数，采用数值拟合方法得到输出直流电压纹波系数与开关频率间的函数关系。

上述方案中，优选地，所述步骤S5中，具体包括以下步骤：

S5-1，设定初始化种群个体数量N、最大迭代次数D

S5-2，随机生成初始种群X；

S5-3，根据优化目标函数计算初始种群X中各个体x

S5-4，根据指数分布优化算法对种群X进行更新，由此产生新一代种群个体

S5-5，计算新一代种群各个体

S5-6，比较种群更新后的最优个体x

S5-7，判断迭代次数是否达到最大迭代次数D

S5-8，输出当前最优个体x

上述方案中，优选地，所述直流稳压电源最优开关频率与输出电压间的函数关系式为：

式中，f

本发明提供的低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法，与现有技术相比，有以下优点：

本发明的低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法，通过建立直流稳压电源中三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路的状态微分方程；并在该直流稳压电源额定输出电压范围内任取某一电压值为起点，按一定间距等间距选取n组电压值；根据上述所确定的每组电压值及所建立的状态微分方程，分别建立该直流稳压电源的总损耗功率及输出电压纹波系数与其Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型；以功率开关频率为优化对象，以直流稳压电源输出效率与输出电压纹波系数为优化目标，建立优化对象与优化目标间的数学模型；根据该数学模型，采用指数分布优化算法进行优化，以获得相应的最优开关频率；改变直流稳压电源的输出电压值，按上述相同方法依次获得相应的最优开关频率值；根据上述所获得的n组最优开关频率及其对应的输出电压值，采用数值拟合方法得到直流稳压电源最优开关频率与其输出电压间的函数关系式；根据该函数关系式即可根据该直流稳压电源的实际输出电压确定其相应的最优开关频率，从而使该直流稳压电源在任意输出电压下均可获得最佳的输出效率与最小的输出电压纹波系数。本发明具有原理简单、电源输出效率高、输出电压纹波小等特点。

附图说明

图1为本发明低纹波可调直流稳压电源主电路拓扑结构图；

图2为本发明低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法流程图；

图3为本发明实施例中基于指数分布优化算法的直流稳压电源开关频率优选方法流程图；

图4为本发明实施例中最优功率开关频率与电源输出电压间的拟合函数曲线。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为低纹波可调直流稳压电源主电路拓扑结构图，该拓扑结构包括三相PWM整流电路、三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路及三相桥式不可控整流电路3部分，其中三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路由3组结构相同的Buck-Boost升降压电路采用相位交错并联的方式构成。

图2至图4示出了本发明低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法的一种实施方式，包括如下步骤：

步骤S1，建立直流稳压电源中三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路的状态微分方程。

S1-1，根据三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路为三相对称的电路结构，以其中第一相为例，其它两相相同，其功率开关在Buck-Boost中频逆变电路任一输出电压周期的第n次开关周期中的占空比为：

式中，n为Buck-Boost中频逆变电路中功率开关在其任一输出电压周期中的开关周期数，其最大取值为n

S1-2，根据第一相Buck-Boost中频逆变电路中两个功率开关Q1和Q2工作于互补工作状态，将其设定为两种状态，状态1为开关Q1闭合，开关Q2断开；状态2为开关Q1断开，开关Q2闭合。

S1-3，分别建立第一相Buck-Boost中频逆变电路在两个互补工作状态下的状态微分方程。

状态1的状态微分方程为：

式中，i

状态2的状态微分方程为：

式中，i

Δ＝[L-(R

步骤S2，建立直流稳压电源的总损耗功率与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型。

具体步骤如下：

S2-1，根据建立的Buck-Boost中频逆变电路的状态微分方程，计算三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路的损耗功率。

S2-1-1，以第一相Buck-Boost中频逆变电路为例，分别计算流过功率开关Q1和Q2在Buck-Boost中频逆变电路任一输出电压周期的第n次导通区间内的平均电流：

式中，I

S2-1-2，计算功率开关Q1和Q2在Buck-Boost中频逆变电路任一输出电压周期的第n个开关周期前漏-源间电压值：

式中，u

S2-1-3，计算功率开关Q1和Q2在Buck-Boost中频逆变电路任一输出电压周期的第n个开关周期中的开关损耗。

式中，t

S2-1-4，根据步骤S2-1-3所得功率开关Q1和Q2在Buck-Boost中频逆变电路任一输出电压周期的第n个开关周期中的开关损耗，得到三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路中功率开关的总开关损耗功率P

式中，n

S2-1-5，计算三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路中功率开关的导通损耗功率P

S2-1-6，计算三相交错并联Buck-Boost中频逆变电路中电感与电容的总损耗功率P

S2-2，计算三相不可控整流电路的损耗功率P

式中，I

S2-3，计算三相PWM整流电路的总损耗功率P

式中，P

S2-4，结合S2-1至S2-3，得到直流稳压电源总损耗功率与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型为：

步骤S3，建立直流稳压电源输出电压纹波系数与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型。

S3-1，根据Buck-Boost中频逆变电路中功率开关所允许的最高开关频率，在该频率范围内等间距选取m组开关频率值。

S3-2，针对S3-1所选取的每组开关频率值，同时根据所设定的直流稳压电源输出直流电压值，通过构建该直流稳压电源的电路模型，得到其相应的输出直流电压波形。

S3-3，根据S3-2所得输出直流电压波形，得到其输出直流电压的纹波系数，其计算公式为：

式中，u

S3-4，改变功率开关的开关频率值，按上述相同方法依次获得相应的纹波系数。

S3-5，根据上述所得m组开关频率及其相应的纹波系数，采用数值拟合方法得到其输出直流电压纹波系数与开关频率间的函数关系，具体为：

式中，r

步骤S4，以功率开关频率为优化对象，以该直流稳压电源输出效率和输出电压纹波系数为优化目标，建立优化对象与优化目标间的数学模型。

S4-1，为使该直流稳压电源输出效率η最高，设其优化目标函数f

式中，P

S4-2，为使该直流稳压电源输出电压纹波系数r

S4-3，设定优化目标的约束函数为：

式中，g

S4-4，使用线性加权法构建优化目标函数，具体为：

Min:f(f

式中，f(f

步骤S5，根据步骤S4所建立的数学模型，采用指数分布优化算法进行优化，得到该直流稳压电源在某一输出电压下的最优开关频率。

S5-1，设定初始化种群个体数量N、最大迭代次数D

S5-2，随机生成初始种群X。

S5-3，根据优化目标函数计算初始种群X中各个体x

S5-4，根据指数分布优化算法对种群X进行更新，由此产生新一代种群个体x

S5-5，计算新一代种群各个体x

S5-6，比较种群更新后的最优个体x

S5-7，判断迭代次数是否达到最大迭代次数D

S5-8，输出当前最优个体x

步骤S6，根据上述所得最优开关频率及其相应的输出电压值，采用数值拟合方法得到该直流稳压电源最优开关频率与其输出电压间的函数关系式，函数关系式为：

式中，f

验证试验

为验证本发明所提供的一种低纹波可调直流稳压电源功率开关频率优选方法的效果，设该直流稳压电源的主电路参数如表1所示，主要技术指标如表2所示，同时设指数分布优化算法相关参数如表3所示。

表1直流稳压电源主电路参数

表2直流稳压电源主要技术指标

表3指数分布化优化算法相关参数

在直流稳压电源额定输出电压范围内，如任取电压100V为起点，并任取100V为间隔，等间距选取6组输出电压值，即分别为：100V、200V、300V、400V、500V、600V。针对所选取的每组输出电压值，获得其Buck-Boost中频逆变电路中功率开关的最优开关频率。

如以直流稳压电源输出电压100V为例，首先根据上述步骤S2所示方法得到该直流稳压电源的总损耗功率，再根据该总损耗功率得到其输出效率η与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型，为：

然后确定该直流稳压电源输出电压纹波系数与Buck-Boost中频逆变电路中功率开关频率间的数学模型，数学模型确定方法为：

在Buck-Boost中频逆变电路其功率开关所允许的最高工作频率范围内，如任取10kHz作为起点，并任取10kHz为间隔，等间距选取10组功率开关频率值，即分别为：10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz、100kHz。针对所选取的每组开关频率值，根据上述步骤S3所示方法，得到其输出电压纹波系数，如表4所示：

表4不同开关频率所对应的输出电压纹波系数

根据表4所示数据，采用数值拟合方法得到该直流稳压电源输出直流电压为100V时其输出电压纹波系数r

利用式(21)和式(22)所得数学模型，同时根据上述步骤S4和步骤S5所示方法，得到该直流稳压电源在输出电压为100V时的最优开关频率值，f

根据上述相同方法，分别得到该直流稳压电源在输出电压分别为200V、300V、400V、500V、600V为时的最优开关频率值，具体如表5所示。

表5不同输出电压所对应的最优开关频率

根据表5所得各最优开关频率及其相应的输出电压值，采用数值拟合方法得到其最优开关频率与电源输出电压间的函数关系式，为：

为验证上述所得最优开关频率与电源输出电压间函数关系式的效果，如任取电源输出电压分别为：150V、550V。针对这两组输出电压值，分别采用式(23)所示函数关系式及直接采用指数分布优化算法获得相应的最优开关频率，如表6所示。

表6两种方法所得最优开关频率

由表6可见，采用本发明所提供的函数关系式计算所得结果与直接采用指数分布优化算法所得结果基本一致，从而进一步验证了本发明所提供函数关系式的有效性。

上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。