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基于层次分析-熵值法的DC-DC变换器拓扑综合评价

张洋 丘东元 张波 陈艳峰

张洋,丘东元,张波,等. 基于层次分析-熵值法的DC-DC变换器拓扑综合评价[J]. 北京亚洲成人在线一二三四五六区学报,2025,51(5):1469-1479 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0291
引用本文: 张洋,丘东元,张波,等. 基于层次分析-熵值法的DC-DC变换器拓扑综合评价[J]. 北京亚洲成人在线一二三四五六区学报,2025,51(5):1469-1479 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0291
ZHANG Y,QIU D Y,ZHANG B,et al. Comprehensive evaluation of DC-DC converters based on analytic hierarchy process and entropy method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(5):1469-1479 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0291
Citation: ZHANG Y,QIU D Y,ZHANG B,et al. Comprehensive evaluation of DC-DC converters based on analytic hierarchy process and entropy method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(5):1469-1479 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0291

基于层次分析-熵值法的DC-DC变换器拓扑综合评价

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0291
基金项目: 

国家自然科学基金(52277177) 

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:epdyqiu@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TM461

Comprehensive evaluation of DC-DC converters based on analytic hierarchy process and entropy method

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (52277177) 

More Information
  • 摘要:

    为了更全面地比较拓扑结构和功能相似的一系列DC-DC变换器并实现选优,提出了一种基于层次分析-熵值法的DC-DC变换器拓扑综合评价方法。通过总结DC-DC变换器的常用性能指标,构建分层次的评价指标体系;分别运用层次分析法和熵值法对指标体系中的指标赋权,并采用侧重于层次分析法的策略得到组合权重;进一步运用线性加权综合法得到各DC-DC变换器的评分。以11个电压增益均为D2的DC-DC变换器拓扑为例,运用所提方法进行综合评价,并对评价结果进行可行性分析,结果表明,所选出的拓扑具有良好性能。

     

  • 图 1  综合评价流程

    Figure 1.  Flow chart of comprehensive evaluation

    图 2  各指标权重的雷达图

    Figure 2.  Radar chart of weights of indices

    图 3  各拓扑评分值的雷达图

    Figure 3.  Radar chart of evaluation values of scores for each topologies

    电压增益为D2的11个DC-DC变换器

    11 DC-DC converters with a voltage gain of D2

    表  1  9级标度及其含义

    Table  1.   9-level scale and its meaning

    标度值含义
    1XiXj同等重要
    3XiXj稍微重要
    5XiXj明显重要
    7XiXj强烈重要
    9XiXj极端重要
    2,4,6,8重要性介于1,3,5,7,9之间
    1~9的倒数XjXi重要,且cij=1/cji
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    表  2  IR的取值

    Table  2.   Value of IR

    n IR
    3 0.58
    4 0.9
    5 1.12
    6 1.24
    7 1.32
    8 1.41
    9 1.45
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    表  3  仿真参数

    Table  3.   Simulation parameters

    参数 数值
    输入电压/V 48
    参考输出电压/V 12
    占空比 0.5
    开关管导通电阻/Ω 0.05
    二极管导通压降/V 0.9
    二极管导通电阻/Ω 0.01
    负载电阻/Ω 3
    开关频率/kHz 100
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    表  4  各二级指标判断矩阵的行平均值和指标权重

    Table  4.   Row averages of judgment matrix and weights of second level indices

    行平均值 权重
    A 2 0.3093
    B 2 0.3093
    C 1.2 0.1856
    D 0.6333 0.0979
    E 0.6333 0.0979
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    表  5  输出质量下各指标的行平均值和指标权重

    Table  5.   Row averages and weights of indices affiliated to “output quality”

    行平均值 权重
    A1 2.5 0.8
    A2 0.625 0.2
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    表  6  层次分析法所得总权重

    Table  6.   Total weights obtained by AHP

    指标 权重
    输出电压精度A1 0.2474
    输出电压纹波系数A2 0.0619
    效率B1 0.3093
    开关管电压应力C1 0.0464
    开关管电流应力C2 0.1392
    二极管电压应力D1 0.0245
    二极管电流应力D2 0.0735
    电感电流应力E1 0.0326
    最小电感值E2 0.0326
    电容电压应力E3 0.0163
    最小电容值E4 0.0163
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    A1  各拓扑的各项指标数值

    A1.   Index values of topologies

    拓扑 输出电压
    精度/%
    输出电压
    纹波系数/%
    效率/% 开关管
    电压应力/V
    开关管
    电流应力/A
    二极管
    电压应力/V
    二极管
    电流应力/A
    电感电流
    应力/A
    最小电
    感值/μH
    电容电压
    应力/V
    最小电
    容值/μF
    1 6.193 0.987 91.002 49.04 2.265 35.79 3.345 3.386 101.200 17.483 28.370
    2 6.454 1.001 90.523 61.21 3.365 35.76 3.34 3.378 101.200 17.470 28.370
    3 6.627 0.987 90.395 36.725 3.405 35.685 3.335 3.372 101.200 17.432 28.370
    4 8.773 1.001 90.000 36.98 3.3 24.095 4.36 3.288 104.392 17.067 28.355
    5 6.688 1.006 90.322 36.725 3.405 35.685 3.335 3.369 101.200 11.802 80.266
    6 8.667 0.999 90.065 36.99 3.3 24.095 4.365 3.292 104.392 11.571 80.208
    7 8.185 0.958 89.377 37.01 3.3 24.105 4.37 3.290 104.392 18.066 26.908
    8 5.621 0.949 89.432 36.775 3.42 35.735 3.345 3.385 101.200 17.961 27.633
    9 8.170 1.045 90.180 37.01 3.335 24.105 4.405 3.326 104.392 18.069 26.908
    10 5.924 0.984 91.146 36.76 3.43 35.72 3.355 2.259 161.921 17.509 28.370
    11 6.170 0.988 91.026 49.04 2.265 35.79 3.345 2.254 161.921 17.483 28.370
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    A3  指标数值归一化

    A3.   Normalization of index values

    拓扑 输出
    电压精度
    输出电压
    纹波系数
    效率 开关管
    电压应力
    开关管
    电流应力
    二极管
    电压应力
    二极管
    电流应力
    电感
    电流应力
    最小
    电感值
    电容
    电压应力
    最小
    电容值
    1 0.0799 0.0905 0.0916 0.1080 0.0651 0.1033 0.0818 0.0979 0.0811 0.0961 0.0688
    2 0.0833 0.0918 0.0911 0.1347 0.0967 0.1032 0.0817 0.0976 0.0811 0.0960 0.0688
    3 0.0855 0.0905 0.0910 0.0808 0.0979 0.1030 0.0815 0.0975 0.0811 0.0958 0.0688
    4 0.1132 0.0918 0.0906 0.0814 0.0949 0.0695 0.1066 0.0950 0.0837 0.0938 0.0688
    5 0.0863 0.0922 0.0909 0.0808 0.0979 0.1030 0.0815 0.0974 0.0811 0.0649 0.1948
    6 0.1119 0.0916 0.0907 0.0814 0.0949 0.0695 0.1067 0.0952 0.0837 0.0636 0.1946
    7 0.1057 0.0878 0.0900 0.0815 0.0949 0.0696 0.1068 0.0951 0.0837 0.0993 0.0653
    8 0.0726 0.0870 0.0900 0.0810 0.0983 0.1031 0.0818 0.0978 0.0811 0.0987 0.0670
    9 0.1055 0.0959 0.0908 0.0815 0.0959 0.0696 0.1077 0.0961 0.0837 0.0993 0.0653
    10 0.0765 0.0902 0.0917 0.0809 0.0986 0.1031 0.0820 0.0653 0.1298 0.0962 0.0688
    11 0.0796 0.0906 0.0916 0.1080 0.0651 0.1033 0.0818 0.0651 0.1298 0.0961 0.0688
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    表  7  指标的熵、偏差度和权重

    Table  7.   Entropy, deviations, and weights of indices

    指标 偏差度 权重
    输出电压精度A1 0.9949 0.0051 0.0555
    输出电压纹波系数A2 0.9999 0.0001 0.0013
    效率B1 1 0 0.0001
    开关管电压应力C1 0.9931 0.0069 0.0748
    开关管电流应力C2 0.9959 0.0041 0.0445
    二极管电压应力D1 0.9931 0.0069 0.0744
    二极管电流应力D2 0.9964 0.0036 0.0395
    电感电流应力E1 0.996 0.004 0.0439
    最小电感值E2 0.9922 0.0078 0.0841
    电容电压应力E3 0.9956 0.0044 0.0479
    最小电容值E4 0.9508 0.0492 0.534
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    表  8  指标的组合权重

    Table  8.   Combined weights of indices

    指标 权重 组合权重
    层次分析法 熵值法
    输出电压精度A1 0.2474 0.0555 0.1707
    输出电压纹波系数A2 0.0619 0.0013 0.0376
    效率B1 0.3093 0.0001 0.1856
    开关管电压应力C1 0.0464 0.0748 0.0578
    开关管电流应力C2 0.1392 0.0445 0.1013
    二极管电压应力D1 0.0245 0.0744 0.0445
    二极管电流应力D2 0.0735 0.0395 0.0599
    电感电流应力E1 0.0326 0.0439 0.0372
    最小电感值E2 0.0326 0.0841 0.0532
    电容电压应力E3 0.0163 0.0479 0.0289
    最小电容值E4 0.0163 0.534 0.2234
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    表  9  各拓扑的评分值

    Table  9.   Evaluation values of topologies

    拓扑 评分值
    1 0.7955
    2 0.6018
    3 0.6398
    4 0.4736
    5 0.4295
    6 0.2939
    7 0.4580
    8 0.6062
    9 0.5025
    10 0.7372
    11 0.7826
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    A2  指标数值一致化和无量纲化

    A2.   Harmonization and dimensionlessness of index values

    拓扑 输出电
    压精度
    输出电压
    纹波系数
    效率 开关管
    电压应力
    开关管
    电流应力
    二极管
    电压应力
    二极管
    电流应力
    电感电
    流应力
    最小
    电感值
    电容
    电压应力
    最小
    电容值
    1 0.818662 0.607535 0.918425 0.497039 1 0 0.990654 0 1 0.090316 0.972584
    2 0.73566 0.458493 0.647763 0 0.055794 0.002565 0.995327 0.006625 1 0.092243 0.972584
    3 0.680941 0.606218 0.575519 1 0.021459 0.008978 1 0.012367 1 0.09816 0.972584
    4 0 0.459766 0.352407 0.989585 0.111588 1 0.042056 0.086131 0.947438 0.154326 0.972875
    5 0.66138 0.413818 0.534523 1 0.021459 0.008978 1 0.014576 1 0.964504 0
    6 0.033836 0.481399 0.388856 0.989177 0.111588 1 0.037383 0.082597 0.947438 1 0.001078
    7 0.186624 0.913162 0 0.988360 0.111588 0.999145 0.03271 0.084364 0.947438 0.000481 1
    8 1 1 0.031351 0.997958 0.008584 0.004703 0.990654 0.000883 1 0.016646 0.986407
    9 0.191383 0 0.454215 0.98836 0.081545 0.999145 0 0.052562 0.947438 0 1
    10 0.90378 0.63679 1 0.998571 0 0.005985 0.981308 0.995141 0 0.086254 0.972584
    11 0.8258 0.591535 0.93246 0.497039 1 0 0.990654 1 0 0.090201 0.972584
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-30
  • 录用日期:  2023-11-09
  • 网络出版日期:  2023-11-23
  • 整期出版日期:  2025-05-31

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