0.引言
隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，各類電子設(shè)備在客觀上要求小型化、輕量化和提高可靠性。為了適應(yīng)這種要求需要開展DC-DC 變換器的高頻化研究,。在各種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單端反激電路具有很多優(yōu)點(diǎn),，其中最主要的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,，成本低,適合多路輸出。由于電路簡(jiǎn)單,，在小功率情況下體積可以做得最小,， 這種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在小功率的變換器設(shè)計(jì)中得到廣泛采用。
單端反激DC-DC 變換器中的變壓器工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)帶有兩個(gè)(或多個(gè))繞組的電感,，這一點(diǎn)不同于典型的變壓器[2],。初級(jí)線圈用于磁化磁芯,并且在磁芯損耗方面，磁芯損耗（PL）主要由三部分組成：磁滯損耗（Ph）,，渦流損耗（Pe）和剩余損耗（Pr）,。其他講了一些關(guān)于繞組、磁芯等的基本概念并沒有提出新意的觀點(diǎn)。在每個(gè)周期開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)能量,，次級(jí)線圈用于磁芯的退磁,， 并將在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)變壓器存儲(chǔ)的能量傳遞給負(fù)載。所以在設(shè)計(jì)高頻反激變壓器時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)的變壓器能傳遞所需要的能量,。另外,，為了設(shè)計(jì)高效率的變換器還需要考慮變壓器的功率損耗。
2.單端反激變壓器功率損耗模型的建立
以高頻單端反激變壓器為例推導(dǎo)計(jì)算變壓器總功率損耗的數(shù)學(xué)模型： 通過功率損耗分離的方法可以將變壓器的功率
損耗寫成磁芯功率損耗與繞組功率損耗的總和[2],。
2.1 磁芯功率損耗
變壓器的功率損耗可以分為磁芯功率損耗和繞組功率損耗,， 而磁芯功率損耗主要是由渦流功率損耗和磁滯功率損耗構(gòu)成的。磁損的計(jì)算公式如下：
2.2 繞組損耗
在電力電子領(lǐng)域,， 為了分析和設(shè)計(jì)在非正弦條件下的傳統(tǒng)高頻變壓器的繞組,，陸續(xù)研究出一些實(shí)用的分析方法,，一般是通過分析得到繞組的交流電阻,， 然后由交流電阻計(jì)算繞組功率損耗。繞組的功率損耗也可以用下面的公式表達(dá)：
其中,，Icm為通過高頻變壓器繞組的電流有效值,； Kr 為趨膚系數(shù)；ρ 為銅的電阻率,；MLT 為平均匝長(zhǎng)度（單位m/匝）,；N
為線圈的匝數(shù)；Sa為繞線的橫截面積,。
3.優(yōu)化設(shè)計(jì)思路
傳統(tǒng)的變換器設(shè)計(jì)沿用了工頻變壓器的設(shè)計(jì)方法,， 特點(diǎn)是工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化△B、最大導(dǎo)通比Dmax 通常由經(jīng)驗(yàn)確定,，然后通過反復(fù)試驗(yàn)加以調(diào)整,，最后完成設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是,，往往要進(jìn)行反復(fù)的重新設(shè)計(jì)來積累經(jīng)驗(yàn),，對(duì)變換器的整體設(shè)計(jì)造成影響，需要多次重新調(diào)整變換器的整體設(shè)計(jì),，而且往往選擇的參數(shù)并沒有達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu),。模擬退火算法是一種基于隨機(jī)搜索的最優(yōu)算法， 該算法非常適用于工程實(shí)際求解最優(yōu)解,。本文提出新的設(shè)計(jì)方法是在最初的設(shè)計(jì)中引入功耗計(jì)算,，選擇最小功耗的方案，確定最小功耗前提下的△B 和Dmax 的最優(yōu)選擇,， 進(jìn)一步設(shè)計(jì)變換器整體設(shè)計(jì)中的其他參數(shù),。本文探討了在效率最高、損耗最低、溫升最低的約束條件下Bm,、J 的最優(yōu)值,，建立數(shù)學(xué)模型，并通過模擬退火算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).
根據(jù)本文在前面的到的結(jié)論： 當(dāng)變壓器初級(jí)銅損等于次級(jí)銅損,、磁芯損耗等于繞組損耗時(shí),，變壓器總損耗最小。以反激變換器為入手點(diǎn),，建立方程：
其中：G 為磁芯重量,；Kr 趨膚系數(shù)；K1為Ap 余量,；K2為銅損余量,；磁芯選最為常用的PC40 磁芯，則Pcv 有：
由上式即可求出變壓器總損耗最小時(shí)和D 的最佳值,。
本文利用模擬退火算法研制300kHz 的AC-DC 高頻變壓器[4],。其據(jù)以指標(biāo)為：電結(jié)構(gòu)為單端反激，工作方式為連續(xù)電流工作模式,，輸入電壓為交流220V,，輸出電壓為5V，輸出電流為0.05~2A,，工作頻率為300kHz,，效率為90％。其中的取值范圍0.0001-0.07T,，Dmax 的范圍為：0.2-0.5,。利用模擬退火算法，退火策略選用指數(shù)型退溫：tk=akt0,； 其中a 為一個(gè)小于零的常數(shù),。a 越小，退火速度越快,。t0為初始溫度,，這里選1000。下圖1 所示的為在整個(gè)迭代過程中,，Dmax 整體最優(yōu)解的變化過程,。
4.結(jié)語
通過理論推導(dǎo)建立了高頻反激變壓器總功率損耗的數(shù)學(xué)模型， 提出利用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)和模擬退火算法求解高頻反激變壓器的總功率損耗最小時(shí)△B 和Dmax 的最優(yōu)取值的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想,。提出一種優(yōu)化設(shè)計(jì)高頻DC-DC 變換器的方法,，以單端反激變壓器為例， 通過遺傳算法得到△B,、Dmax 和Lp 的最優(yōu)取值的優(yōu)化設(shè)計(jì),。試驗(yàn)驗(yàn)證采用這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的反激變換器具有很高的效率.