【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种apfc变换器的优化方法，具体涉及一种基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法。
技术介绍
1、有源功率因数校正(apfc变换器)技术广泛应用于工业界，如对车载充电机、计算机适配电源和通信电源等产品的设计和研发中，因具有高能量利用率、低功率损耗、高功率密度等的优点，对apfc变换器进行高效率设计具有极为重要的现实意义。
2、为了提高单相boost apfc变换器的效率，通常采用以下方法提高apfc变换器的效率：使用高性能器件直接降低开关器件的导通损耗和开关损耗，此方法简单且有效，但成本却最昂贵。对拓扑进行改进以减少器件数量或利用软开关技术减小损耗，但也会带来设计复杂性、成本上升、电磁干扰增加等问题。改进控制策略也可有效提高apfc变换器的效率，不需要高昂的成本和复杂的拓扑结构，但对控制器的性能提出了更高的要求。与上述三种优化设计方法相比，对apfc变换器的内部参数进行优化设计，进而提高其效率是成本最低、最易实现且在工业上可以被广泛应用。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，通过优化内部参数来提高单相升压有源功率因数校正(apfc变换器)的效率。该方法采用解析法，推导了电流、功率损耗、无源器件总体积和效率的解析表达式。并在考虑磁通密度和电流纹波限制的情况下，采用拉格朗日乘数法求解最优效率和功率密度下的开关频率和升压电感值，进而能够对单相boo
2、本专利技术采取的技术方案为：
3、基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，包括如下步骤：
4、步骤一：分析单相boost apfc变换器的拓扑结构和工作原理；
5、步骤二：推导单相boost apfc变换器中各元件的电流表达式；
6、步骤三：推导单相boost apfc变换器中各元件的功率损耗表达式，选择元器件并设计升压电感磁芯；
7、步骤四：推导单相boost apfc变换器的理论效率表达式，分析效率与内部参数之间的关系；
8、步骤五：推导单相boost apfc变换器的无源元件的总体积表达式；
9、步骤六：设置约束条件，构建单相boost apfc变换器效率和功率密度优化的拉格朗日函数，对目标函数求偏导并令导数为零，求出最优效率和功率密度下的开关频率和升压电感值。
10、所述步骤一中，单相boost apfc变换器的拓扑结构包括：滤波电感le、滤波电容ce、整流桥drec、boost电路；所述boost电路包括：升压电感lb、功率开关管q、续流二极管d、输出电容co、负载ro；
11、电源uac一侧连接滤波电感le一端，滤波电感le另一端分别连接滤波电容ce一端、整流桥drec输入侧一端，电源uac另一侧分别连接整流桥drec输入侧另一端、滤波电容ce另一端；
12、整流桥drec输出侧一端连接升压电感lb一端，升压电感lb另一端分别连接功率开关管q漏极、续流二极管d阳极，续流二极管d阴极分别连接输出电容co一端、负载ro一端，功率开关管q源极分别连接整流桥drec输出侧另一端、输出电容co另一端、负载ro另一端。
13、变换器工作在ccm下，变换器的输入电流经过滤波电感le、滤波电容ce以及整流桥drec后进入boost电路；boost电路由升压电感lb、功率开关管q，续流二极管d和输出电容co构成，整流后的电流经boost电路后接入负载ro。
14、所述步骤二中，采用解析法推导出的单相boost apfc变换器各器件的电流有效值为开关频率和升压电感lb的非线性函数；下面的内容即是对非线性函数进行解释，由公式表达式可知，各器件的电流有效值为开关频率和升压电感lb的非线性函数。
15、流过滤波电容ce、整流桥drec、功率开关管q、续流二极管d、升压电感lb和输出电容co的电流表达式分别表示如下：
16、
17、式(1)中：ice表示流过滤波电容ce的电流有效值，uac表示输入电压有效值，uo表示输出电压，fs表示开关频率，lb表示升压电感值。
18、
19、式(2)中：irec表示流过整流桥drec的电流有效值；po表示输出功率。
20、
21、式(3)中：iq表示流过功率开关管q的电流有效值。
22、
23、式(4)中：id表示流过续流二极管d的电流有效值。
24、
25、式(5)中：il表示流过升压电感lb的电流有效值。
26、
27、式(6)中：ico表示流过输出电容co的电流有效值。
28、所述步骤三中，推导单相boost apfc变换器中各元件的功率损耗表达式，具体如下：
29、采用解析法推导出各器件功率损耗为开关频率和升压电感的非线性函数；emi滤波器、整流桥drec功率、功率开关管q、续流二极管d、升压电感lb、输出电容co的功率损耗表达式分别表示如下：
30、
31、
32、
33、
34、
35、
36、式中，
37、pemi(fs,lb)表示emi滤波器损耗与fs和lb的关系；
38、prec(fs,lb)表示整流桥功率损耗与fs和lb的关系；
39、pq(fs,lb)表示功率开关管功率损耗与fs和lb的关系；
40、pd(fs,lb)表示功率二极管功率损耗与fs和lb的关系；
41、pl(fs,lb)表示升压电感功率损耗与fs和lb的关系；
42、pco(fs,lb)表示输出电容功率损耗与fs和lb的关系；
43、rle,esr、rci,esr分别表示le和ce的等效串联电阻；urec,f是整流桥的正向导通压降；rrec,esr是整流桥的等效串联电阻；irec,avg表示平均电流；
44、coss表示功率开关管的输出结电容；rds,on表示功率开关管导通电阻；qq,g表示总栅极电荷；udri表示功率开关管驱动电压；tq,r、tq,f分别表示功率开关管上升时间、下降时间；ud,f表示正向导通压降；rd,esr表示二极管的等效串联电阻；qd,rr表示反向恢复电荷；iq,on、iq,off分别表示功率开关管的导通和截止电流；ico,lf、ico,hf分别表示ico的低频分量和高频分量；il,ac、il,dc分别表示il的交流和直流分量；rl,esr,dc、rl,esr,ac分别表示绕组的直流和交流等效串联电阻；△b表示峰值交流磁通密度；vl表示磁芯的体积；δc表示co的介质损耗角；fg表示电网开关频率。
45本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤一中，单相Boost APFC变换器的拓扑结构包括：滤波电感Le、滤波电容Ce、整流桥Drec、Boost电路；所述Boost电路包括：升压电感Lb、功率开关管Q、续流二极管D、输出电容Co、负载Ro；
3.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤二中，采用解析法推导出的单相Boost APFC变换器各器件的电流有效值为开关频率和升压电感Lb的非线性函数；
4.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤三中，推导单相Boost APFC变换器中各元件的功率损耗表达式，具体如下：
5.根据权利要求4所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密
6.根据权利要求5所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：理论效率和总功率损耗的计算公式表示为：
7.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤五中，将所有电感器和电容器的体积分别表示为VL和VC，VL和VC通过以下方式估算：
8.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤六中，考虑到磁通密度和电流纹波比两个约束条件，引入拉格朗日乘数法进行效率优化，构造拉格朗日乘数函数表示为：
9.根据权利要求8所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：是与实际应用相关的附加条件，表示为：
10.根据权利要求9所述基于拉格朗日乘数法的单相Boost APFC变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：根据拉格朗日乘数法，fs和Lb的最优解通过上式求出，
...【技术特征摘要】
1.基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤一中，单相boost apfc变换器的拓扑结构包括：滤波电感le、滤波电容ce、整流桥drec、boost电路；所述boost电路包括：升压电感lb、功率开关管q、续流二极管d、输出电容co、负载ro；
3.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤二中，采用解析法推导出的单相boost apfc变换器各器件的电流有效值为开关频率和升压电感lb的非线性函数；
4.根据权利要求1所述基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述步骤三中，推导单相boost apfc变换器中各元件的功率损耗表达式，具体如下：
5.根据权利要求4所述基于拉格朗日乘数法的单相boost apfc变换器效率与功率密度综合优化方法，其特征在于：所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐恒山，王地康，莫汝乔，李康辉，曾宪金，王思维，李家辉，周江浪，陈雷，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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