(全文)电能路由器设计自动化综述:设计流程架构和遗传算法
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(1)由于分步进行局部优化,散热、磁路、机械和滤波器设计位于辅助角色,无法与电路参数和控制参数实现综合分析,即使有局部的联立耦合设计,得到的结果并非全局最优。
(2)设计要求之间存在矛盾,难以实现定量的权衡取舍。
(3)电、热、磁、机械等多物理场相互耦合,电力电子开关瞬态过程非理想,各时间尺度特性相互影响,依赖人工难以同时满足所有限制条件。
(4)依赖硬件实验的评估和迭代方法严重耗费时间、人力和物力,设计过程效率低下,投资较大。
(5)变换器设计目标更改或增减时,需要重复整个过程,自动化程度低。
(1)电能路由器的控制特性、高频高速开关特性、母排布局、磁路特性和散热特性存在极强的耦合关系,这代表问题具有极强的非线性,甚至由于复杂的耦合关系造成目标函数和约束条件非凸。
(2)多级多模块意味着使用元器件众多,每种元器件都有不同的特性,其中电容、开关器件选型和磁心材料选型等设计参数一般是离散取值,电感、变压器尺寸、控制参数等设计参数可以连续取值,设计参数存在离散和连续的混杂。
(3)不同拓扑和方案作为设计参数的一部分,如串联级数的选择、三电平与两电平的选择,涉及整数优化和组合优化问题,导致整个问题变为混合优化问题。
(4)不同优化目标之间此消彼长,需要权衡取舍,如内部工作频率的增加会使效率降低,但可以提高功率密度,使得性能空间中呈现多目标寻优的特点。
(1)涉及多物理场耦合问题,正向映射复杂,求解正向映射过程耗时。
(2)目标函数非线性非凸,甚至可能包含参数优化和组合优化的混合优化问题。
(3)约束条件非线性非凸,种类多、数目多,电力电子系统不同环节时间尺度差别大、具有强刚性问题。
(4)决策变量存在离散和连续的混杂,且数目多。
(1)材料级别的选择(如半导体材料、导电材料、导磁材料、电介质材料、导热材料和机械材料等)。
(2)电路元器件的选型和参数设计(如半导体器件、连接件、电感电容、变压器和散热器等)。
(3)系统级别的选择(如电路拓扑、控制方法、散热系统和机械系统等)。
(1)一般离散变量(如电容取值)。
(2)整数离散变量(如级联数、匝数、铁心并联数等,特别是开关频率,为了控制准确度取整数倍kHz或整数倍百Hz)。
(3)连续变量(如电容参数、比例积分微分控制参数、导线直径、铁心尺寸和散热器尺寸等)。
(4)其他变量(用于表示材料选择、开关选型、拓扑选择、控制模式和散热模式等)。
(1)设计要求(如电流连续模式、电磁干扰、温升极限、共模电容、开关频率、电流电压纹波、总谐波失真和效率等)。
(2)决策变量取值范围(如电阻取值、电感取值、电容取值和半导体器件型号等)。
(3)系统安全工作区(如半导体器件结温极限、导线通流能力、绝缘耐压能力、铁心温升极限、电压电流应力峰值和电压电流交流有效值等)。
(4)对于特殊的磁性元件设计,还包括尺寸(窗口大小、导线直径)和磁元件特性(磁通饱和磁元件损耗、磁元件最高温升)。
(5)专门的设计目标(软开关约束、传输功率约束、开关频率约束、电流断续或连续模式等)。
其一,在实现AC-AC变换功能上,多种拓扑被提出,有基于矩阵变换器的拓扑,也有经典的AC-DC-AC拓扑;
其二,在电力电子变压器运用于交流系统中或者是电力牵引的单向系统中,电力电子变压器的某一端口都会连接电压等级较高的配电网,此时多电平技术和级联式H桥技术都被用以解决这项问题;
其三,电力电子变压器中需要有能量汇集和缓冲的部件,根据能量汇集点的不同,分为共交流母线和共直流母线两种不同的技术方案;
其四,隔离高频变压器相对于AC-DC-AC三级变换器的级联位置,分为后端隔离和前端隔离两类拓扑等。
①不再单步寻优而是借助优化算法整体寻优,从而使得设计结果最优得到保障;
②自动化程度增加,正向求解过程和优化算法都由计算机辅助软件或程序实现,从而将设计人员从繁琐的重复工作中解放出来,使得设计人员能够将精力投入重要的模型搭建和结果权衡中;
③考虑了多物理场的耦合,模型足够系统和精细,并且还具有可拓展性,根据设计者的需要,横向可以增加变压器设计、印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)布局设计等,纵向可以进一步考虑热模型和机械模型的耦合和最终对于损耗模型的影响和修正。