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2024年4月15日发(作者:horizontalalignment 読み方)

26

卷第

2255

2

哈尔滨理工大学学报

JOURNAL

OF

HARB!

UNINERSINY

OF

SCINNCE

AND

TECHNOLOGY

VoV

20

No.

1

Feb.

2255

SWISS

整流器多目标优化

颜景斌

沈云森

刘思

魏金鑫

高崇禧

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院

哈尔滨

154082)

针对

SWISS

整流器的性能问题

采用基于

NSGA-P

算法的多目标优化方法

以离散

的直流电感

IGBT

Dmde

以及

出电容参数建立的元器件数据

库为约束

条件,

以效率

功率

度以

纹波

模型为目标函数

通过

NSGA-H

算法进行优化

并给出了

帕累托最

优解集和

帕累

托最优

前沿

根据目标的优先级合理选择方案

从而选择相应器件

最后

通过仿真实验表明方案的可行

性,优化后效率为

941

51%

功率密度为

12.

96

kW/dm

5

,

输出纹波为

5.

068

关键词:

SWISS

整流器

损耗

多目标优化;

nsga

-

i

i

算法

DOS

:

12.15633/4.

jhusl.

2021

.

51

.

012

中图分类号

TM46

文献标志码

A

文章编号

1057-2683(2521

)

51-0586-57

Multi-objective

Optimization

of

SWISS

Rectifier

YAN

Jing-bin

,

SHEN

Yun-sen.

,

LIU

Si,

WEI

Jin-xin

,

GAO

Chong-xi

(

School

cf

Elect/cal

and

Electronic

Enyi-eeriny

,

Harbin

Univeu/y

cf

Science

and

Technoloyy

,

Harbin

135085,

China)

Abstract

:

Aiminy

xl

tha

peXounanca

pndlem

of

SWISS

recti

ci

,

-

multi-oPjechvv

optimization

method

bo

1

on

Non-Dominated

Sotin-

in

Genetic

Alyowthms-H

(

NSGA-H

-

is

aXopteb.

With

discrete

DC

lductoi,

IGBT,

DOPa

and

output

cax-citoi

database

-s

constraints,

and

FicOncy

,

powai

dexsitp

and

output

Uppla

model

-s

oPjechvv

functions

,

tha

optimization

is

co

deb

out

by

NSGA-H

alyorithm

,

usi

tha

pareto

optimal

solution

and

pareto

optimal

front

of

tha

alyorithm.

Wa

select

tha

dppnptma

devica

-ccorbin-

to

tha

p/ottp

of

tha

Um

.

FOtly,

tha

simulation

results

show

thul

tha

schema

is

feasible

,

tha

optimized

eWiciency

is

96.61%

,

tha

powai

density

O

12.

96

kW/4m

5

,

and

tha

output

Upple

is

9.

665.

Keywords

SWISS

nchfivi;

loss;

multi-oPjechvv

optimization

;

NSGA-H

alyorithm

其准确性

并且

各个性能之间一般相互冲突

如何

2

引言

在整流器电力电子装置的研究中

希望构建一

对各系统进行多参数多目标优化并进行器件选型

,

需使用合适的方法

5

然而

国内外学者大都致

力于新型拓扑结构和新型材料的研发

专注于器件

本身的性能提升

而应用多目标优化技术来解决电

力电子问题尚处于未大力研究状态⑷

传统的多

个综合性能最优的系统,即保证高效率的同时

又能

使系统的体积

质量和成本等性能指标得到优化

是一个复杂的问题

往往以经验判断,可能无法保证

目标优化方法有约束法

线性加权和法以及极大极

收稿日期

基金项目

莫斯科国际科学技术中心科研项目

作者简介

沈云森

硕士研究生

女,硕士研究生

通信作者

景斌

博士

教授

,

2020

-57

-25

(

2514

-

MHTIZB

-1378

).

(1790-),

(1594-),

(

1972

)

.

E-mail

555510045@qq.

oom.

1

颜景斌等:

SWISS

整流器多目标优化

大都优

计算较大

可确定

4

种电流通路

如图

2

所示

°

p

35

2

2

相互独立

线

次优化

P

[

-

6

]

°

析线

的互联

计人员

SWISS

整流器

线

传统的

°

SWISS

使得整流器是一个

的优

器设计是一个

问题,性能指标和决

(a)

r=ON

7>0N

P

(b)

r

=0N

7>0FF

P

策参数众多

每当

分析的困难程

度成指数倍增加

3

-0

°

2

赖于

人工经验

度低

容易出错

°

排序遗传算法

(

now-dominated

sorting

ic

geuebo

2x0-

Othms-I

I

)

具有搜索的

和多向性,是一种

处理离散的约束条件和

优化

n

(c)

T=OFF

T=ON

n

(d)

r=OFF

T=OFF

算法

对于

SWISS

整流器优

[

1-4

]

°

现出其独特的优越

2

SWISS

整流器导通电路

Fig.

1

The

conduction

states

of

SWISS

rectiber

本文以元器件

为约束条件

NSGA

i

I

算法对整流器的效率

功率密度和纹波

优化

2

SimOUd

和算法仿

源三次谐波注

的开关状

2

最优

[

i

]

°

器件

使系统整

主能

从而实现主

功率

校正

如表

1

所示

个基波周期内注

在每个采样周期和各个

30

扇区内

,

开关管

T

T

-

1

SWISS

整流器工作原理

SWISS

整流器主要由三相不可控整流桥

有源

不同的开关状态

°

开关频率足够高

,则

T

+

T

-

L

的直流

线电流

h

e

期内都可

选择不同的

三次谐波

路构成

结构如图

1

开关状

可以抑制直流母线

纹波和

谐波注入电路由

3

个双向开关管

S

p

.

S

p

.

S

p

其中双向开

是由

2

IGBT

反向串联组成,

纹波°

4

电流注入电路的调制状态

Tab.

1

Modulation

of

the

cuaenS

injection

circuit

其频率为两倍的电源频率

整流器的直

出端接

上下两个

厂和

T

-

2

厂和匸的

与三相不可控整流桥输出的两相电压成比例

,

二者

源三次谐波注

绝对值最小的电源相

31

-

10

]

°

路流入当前电压

30°

30°

60°

60°

90°

As.

90°

10°

10°

II

1

10°

10°

||r

Il

1

b

Ll

J

e

Sys

SyS

i

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

180°

210°

21°

240°

1

1

0

0

240°

270°

270°

300°

300°

330°

330°

360°

12°

1

1

e

SyS

Sy

y

S

y

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

k

D

4

D

N6

Il

1

1

1

k

1

2

SWISS

整流器器件损耗分析

2.

3

直流电感厶损耗分析

4

SWISS

整流器拓扑结构

Fig.

1

of

SWISS

rectifier

topolo.y

相不可控整流桥中

任意

下直流母线

其中

铁芯和绕组

组成

30

-

13

]

°

Moto

系开

源用铁氧体

(1

)

电压均为三相电压的线电压

1

所示结构中

PC90,

损耗公式为

律的切换

T

T

-

的开关状态

,

P

v

=

CT7fB

^

V

F

e

6

哈尔滨理工大学学报

26

中:

n

为材料

a

可通过生

家提供的损

特性曲线求得

C

是铁

的温度系

当温度为

100

兀时

,C

为铁芯体积

IGBT

的导通时间为半个周期

IGBT

的通态

t

/

忽略高频效应下

,

可看成几何尺寸

(2)

P

/—

3GBT

-

U

CE

U

GE

+

r

CE

n

n

,)T(

t

)

dt

(11)

(12)

(13)

(14)

P

/

R

/

I

e

力)

IIGBT

Wb

(

%

)

(

-

、(

2

-

可近似得到电感损耗为

P

l

=

3

-

一碍甫

I

e

u

t

(

t)

[1+

Msin

)

%

+

(

p)]/2

(

3

-

L

%

2

叭叽

d

w

=2rk

b

N

d

UI

铁芯

其结构如图

3

(4

-

I

igbt

式中

1

GE

IGBT

门槛电压

3

ce

为其通

IGBT

的电流幅值

4

为电压

所示

绕组宽度

和深度

d

w

(5

-

可得

IGBT

通态损耗为

P

/nd

,OGBT

式中

/

为导体半径

4

b

为制造因数,一般为

6

05

6

4

儿和

N

d

为线圈宽度和深度的导体数期

2(

V

ge

I

n

gbt

+

r

CE

Mc

osw(

V

GE

I6

+

(4)

个周期内

J

GBT

开通和关断的次数均为九

可知

IGBT

的开

9

t

/

I

型铁芯

I

型铁芯

P

sw

J

GBT

f

se

t

]

[

E

sw(on)

(

t

3

igbt

-

+

(

E

sw

(

off)

(

t

3

IGBT

)]

t

U

4

-

式中:

E

w

(

f)

E

w

(

f)

分别为

IGBT

开通一次和关断

一次

的能量

,

其额定值可查询元器件数据表获

IGBT

开关损耗公式为

3

US

型铁芯结构

Fig.

3

US

cure

stracture

P

sw,IGBT

w

(

E

E

sw

(

f

)

N

-

w(on)N

+

线圈体积公式为

v

c

3

(n

d0

+

°

+2

%

-

d

wW

IGBT

U

pg

N

U

CEN

(17

)

(6

-

综上所述

,1GBT

总损耗为

PIGBT

P

/ndjGBT

+

P

sw

JGBT

9

/

U

型铁芯的宽度;

U

型铁芯除去槽

的高度

线圈的填充系数

b

NA

C

b

-------

-u

Pf

~d

w

%

w

(7)

(4)

2.0

二极管损耗分析

个周期内分为开关状态

正向导通

括开

和反向截止这

3

种状态

故其功率

通态损耗及断态损耗

可得导体体积匕

/

V

c

d=

b

f

V

/

其导通

向导通时

对应时间段为

[)

,

)

/

,

1

r^on

铁芯体积

V

n

V

F

n

=!(

%

+

%

-

/

c

+2%

d

Jc

(9)

P

o

g,Diodn

T

I

U

F

(On(O

U

t

~

V

F

f

D

(

4)

式中/为

ui

铁芯外围长度;

为-型铁芯的高度;

%

为口型铁芯除去槽之后一边的长度;为槽的

高度

式中

V

为其正向导通压降;

5

f

为正向通

流;

D

是二

占空比

/

+

V

F

n

器件其占空比不同

反向截止时

通过反向

对应时

直流电感

L

的体积为

间段为

[i0

T

]

(10

)

P

off,

Diodn

V

l

=

V

中开

2.2

IGBT

损耗分析

o

)

d

t

V

r

F

r

(

1

-

D

-

IGBT

括通

和开

为:开通

和关断

13

式中

V

为其反向压降;5

为反向漏电流

(20

-

1

颜景斌等:

SWISS

整流器多目标优化

89

二极管的开

0,

6

2

这两

个暂

其计算公式为

P

sw

,

Diode

1

J

o

U

F

d)Od

)

Ut

J

G

1

fyf

+

uDoO/)

Vfpifptfpfs

w

+

v

1

1

iifs

w

(

i

)

式中

V

V

分别为二极管的正向和反向峰值电

压;

h

h

分别为流经二极管的正向和反向峰值电

;

为其正向恢

;

为其反向

下降时

其值可查询元器件

上可知二

P

Diode

P

on

,

Diode

+

off, Diode

+

sw

,

Diode

(

4

2

)

2.4

电容体积模型

容的体积

可通

器件

册中的

面图和俯视图获得

如图

4

所示

则电容体积

V

c

近似为

v

v

c

=

戒(

-------------

0

-

35

)

+

35n

D

4

-------------------------

(

23

)

中:忽略上下端子体积,

D

/

以及

e

均可从源数

册上查询°

Q

122

±1.5

M12

050

±0.5

M6xl0

10116

±0.5

M12

4

输出电容结构

Fig.

1

OutyuS

copacitor

shuctua

3

SWISS

整流器多目标优化

3.

3

NSGA-II

算法

NPGA-II

算法是在

NSGA

算法的基础上采用快

择策略以及拥挤度计算等方

2

提高算法的计算速度

保留优

高种群的

最优

均匀的分布在

整个帕

最优前沿上

2

°

图如图

5

所示

°

5

NSGA-

II

算法流程图

Fig.

1

of

NSGA-

1

Alyorithm

Prayram

3

4

多目标优化模型

本文的

SWISS

整流器的效率

n

功率密度

p

与输出电压纹波

°

其中

在给定输

出功率的条件下

效率

n

模型为

___________

P

_____________

V

~

p

d

+

<

p

w

s

~

P

o

+

V

2

+

YP

8

IG

BT

+

8

2

=

1

0=1

DO

C

1

(24)

式中:

P

o

为输出功率;

Pl

u

s

为总功率损耗

各元器件体积

功率密度

P

模型为

V

~

2

8

8

总乙

2

=

1

V

+

0

E

=

1

V

+

C

S

1

V

Doe

+

V

c

输出电压纹波峰峰值

A

U

c^moa

^

U

C,

P

P

3

(26)

式中:

M

为调制参数

92

哈尔滨理工大学学报

26

由式

(24)

(

26)

建立目标函数为

n

max

J

I

P

mO

=

A

U

jf

,my

X

(

27

)

约束条件为建立的元器件数据模型中各数据上

可知,

随着开关频率的升高

整流器效率下降

,

然而功率密度却会升高

2

频率

最优

仿

如图

5

所示

的开关

的体积和

下限值和各

的不

4

仿真结果

SWISS

整流器系统参数为:输入相电压

U

222

V,

输出电压

U

)

400

V,

输出功率

P

y

=5kW

根据各

器件的功率和体积

,

NSGA-

II

算法进

和决策变量

2

结果的随

机性,迭代次

优化结果的准确性,迭代次

导致计算量大且结

故取种群数

density

and

the

vvlume

of

inductor

目和

次数均取为

340

o

对开关频率和效率以及

开关频率和功率密度的

仿

如图

0

7

由图

5

可知

电感的功率损耗

l

范围为

41

03

66

4

W,

电感体积

V

L

21

022

6

2.

864

7

dm

3

,

P

,

则会牺牲

整流器的效率

冲突

对整流器的效率和功率密度的关系进

行仿

如图

7

所示

6

开关频率与效率关系曲线

Fig.

3

Dia

.丫^!!

of

the

relationshig

betweee

the

swit

(:加!!.

frequency

and

edciency

9

功率密度与效率关系曲线

Fig.

3

Diaoram

of

the

relahonsUig

between

the

power

density

and

effidency

可得系统效率

n

的范

94.

52

-97.11%

,功

率密度

p

的范围为

4.

04-21.52

kW/4m

3

最优前沿上选

4

种方案

,

如表

2

ZK

案一和方案

7

开关频率与功率密度关系曲线

Fig.

3

Diaoram

of

the

relahonsUig

between

the

咼效率是整流器的前提

则在

较选择,而方案

中的功

率密度

方案一的功率密度高

2

处理

选择方案

结合图

0

7,

开关频率选择为

25

kHz

switchino

frequency

and

the

power

density

2

4

种方案性能指标

颜景斌等:

SWISS

整流器多目标优化

91

Tab.

3

Performance

index

of

four

schemes

效率

n

%

02.

6

功率密度

p/(

kW/dm

7

)

4644

961

63

961

30

94.

52

12.

23

4.47

26

52

将输出纹波模型加入到第

3

个优化目标中进行

算法仿真

仿真图如图

6

所示

维图观察可

10

热损耗仿真图

输出

波和功率密度以及效率是相互制约的

制输出

所以

案二的基础上进行

Fig.

11

Simulation

diaoram

of

heet

loss

处理

在本文中

选择

n

=96.0

7

12.

95

kW/4m

3

,

Au

c,f,m-

x

0

060

的方案

对于直流电感

L

,

6

由于直流母线

得其计算平均

2

,2

种波

压和负载的

0.4sj

则选择损耗为

41

71

W,

体积为

21

25

dm

3

的方案

0.10

2.

21

25

s

时波动较

X

12.95

Y

0.9601

Z

0.06786

约为

63

W

o

率为

96.21%

的方

为其中的

69.

6

W,

,仿

0.05

真结果符合实际

仿真得到的等温层温度波形

/

3

Od

如图

12

所示

1.00

0.95

0.90

15

功率耳/%

0.85

0

功率密度

p

/(kW/dm

3

)

10

三维仿真图

Fig.

10

Three-dimensional

diaoram

算法优化的

中各个决策变量的数

和设计

如表

3

所示

各元器件型号的

Tab.

3

3

器件选型

元件

电感

电容

二极管

二极管

双向开关管

L

Selection

of

ccmponents

型号

U93/76/4-PC90-X,

193/25/4

PC90

fewite

N

=

4

Ums

:

,

初始温度为

25

21

25

s

后系统进入稳态,

温度约为

43.

6C

可以看出开关器件所

的温

A

Cu

=

6

227

mm

2

B4330A51

80

M000

,EPCOS

升偏低

证明本

c

D

n

+

/D

n

_

D

f

+

/D

f

_

S

y/

D

y

HFA25TB60,600

V/25

A

E4D20122A,200

V/20A

IKW25N120H3,1

200

V/25

A

IKQ75N122CS6,

200

V/25

A

5

结语

本文针对

SWISS

整流器进行基于

NSGA-

n

优化

前提下

以直流电感

IGBT

DOde

以及输出电容参

为离散量

器件

T

+/

T

-

应用

PLECS

软件对

SWISS

整流器进行热损耗

仿真

并和计算所得的总平均损耗波

对比

仿

功率密度

率和

立的离散的元器件功率和体积

真结果如图

6

所示

为约束条件,

92

哈尔滨理工大学学报

[1

DEB

K

PRATAP

P

26

AGRAWAD

A

从而进行强非线性系统的多参数多目标优化

该算

法可在短时间内获得一系列最优解

利用算法提供

的帕累托最优前沿

根据目标性能的优先级合理选

择方案

从而确定最优决策参数并选择和设计相应

元器件

最后对整流器进行热-电仿真建模

计算

[1

]

,

,

,

]

]

常伟

王久和

陈启丽.基于

算法

整流器多

目标优化

中国电机工程学报

增刊

et

al.

A

Fas)

and

Elitist

MiOP-WjutUe

Genetic

Algorithm

:

NPGA-II

[

J

IFEE

Trans

on

Evolutionaa

Computation

,

2654,0(4)

NPGA-II

Vienna

[]•

,4710,37(

)

19.

CHANG

Wei,

WANG

Jiuhe

,

CHEN

Qilb

MOP-WjutUe

Optimi

­

热损耗和模拟系统温度

证明本文方案的可行性

zation

of

Vienna

Rectifies

Based

on

NPGA-II

AToPthm

[

J

]

Pro-

cudUgs

of

CSEE,2610,37

(Pl)

19.

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M

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J

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Conipw

t

Cwt

Models

for

Mulpt

objective

Optimization

of

Pwiuhed-moXe

Powes

ConveOs

[

J

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IFEE

Trans.

ox

Energy

ConversUa

Ccwgpss

and

Exposition

,2613

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20174

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J

W,

BIFLA

J,

MIPIFOCK

J.

Exploring

the

Parete

Froat

cf

MuPi-odjectWe

SUvIe-phase

PFC

RecUfier

Design

OptimizatWa-

99.2%

EffiUencu

vs.

8

kW^/dm

9

Power

Density

[J]

.

IFEE

Trans.

ox

Powes

ElectoxUs

,2079

,26

(10)

9.

[6]

ROUT

P

K

,

ACHARYA

D

P,

PANDA

G.

A

MOP-WjutUe

OptU

mizatiox

Based

Fast

and

Rodust

Design

MeOoXoTgy

for

Powes

and

Low

Phase

Noise

Current

Starved

VCO[

J].

IFEE

Trans.

Pemicoad

Maonf,

2710,27(1

23.

[]

张强

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//:.

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,

FENG

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Comparison

of

6-

swiuh

Bnch-tyye

Rectifies

and

SWISS

RectUies

Under

DiUerent

MoXulatiox

SWaWoies

[

J

]

High

Powes

Converter

Technology,

2016

23

(6)

124

[9]

POEIRO

T

B,

FRIFDLI

T,

KOLAR

J

W.

Swiss

RuUfier-A

Novel

Three-pPase

Bnch-tyye

PFC Topology

for

El-pctUe

Vehicle

Battep

Charginy

[

C

]

/dApplied

Powes

Electronics

Ccwference

and

Exposi-

tWa.

IFEE,

2514

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20174

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Teachers

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2612,29(1

3O

4

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李占凯

实验技术与管理

陈丽

基于

Plus

的电力电子电路热-电仿

[J]

,4710,33(9)

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TANG

$1^0111

,

LI

Zhankal

,

CHEN

Li.

Thermal-elutpaic

Sim

­

ulation

Teaching

of

Powes

Electronic

Circuit

Based

on

Plecs

[

J

]

[13

]

ExpePmental

KOLAR

J

W

,

Technology

and

Managemed-,

2610

,33

(9)

:

16.

FRIFDLI

T.

The

Essense

of

Three-Phase

PFC

Ree-

tifier

Systems

[

C

]//PoweedUgs

of

IFEE

Ccwference

on

Inteaa-

tioxal

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Netherlands

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14

6

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L

(

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,

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PhouPac

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LC

Filter

Damping

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Based

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SWISS

Rectifier

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of

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(编辑

温泽宇)


本文标签: 优化 目标 整流器 损耗 参数