一種將離散元件納入貝葉斯優化以實現電源電路設計自動化的新方法
本文為國立臺灣科技大學（NTUST）先進電力電子實驗室之夥伴研究成果。此為中文原文摘要頁；另有 English version。
為什麼這篇論文重要
實際電源設計很少只是連續數學問題。工程師必須從規格書中選擇商用 MOSFET、磁性元件與電容。這些選擇是離散的、高度非線性，且每次完整電路模擬成本高昂。
本夥伴論文提出將離散元件參數納入貝葉斯優化（Bayesian Optimization, BO）的自動化設計方法。透過高斯過程（Gaussian Process, GP）代理模型，並結合正規化與距離衡量技術，演算法能有效處理來自元件資料手冊的非線性特性。以 3.3 kW 降壓轉換器為驗證平台，僅需約 30 次 SIMBA 模擬即可收斂至 98% 以上效率，顯著縮短設計週期並降低計算成本。
關於作者（夥伴單位）
作者為 國立臺灣科技大學電子工程系研究夥伴：
- 阮晉松（Nguyen Tan Tung）
- 蔡兆威（Chao-Wei Tsai）
- 龐敏熙（Man-Hay Pong）
發表於第四十六屆中華民國電力工程研討會暨第二十二屆台灣電力電子研討會（台灣彰化，2025 年 11 月 14–15 日）。
英文題名：A New Method for Power Circuit Design Automation by Incorporating Discrete Components into Bayesian Optimization。
論文提出什麼方法
貝葉斯優化通常假設連續變數，但真實設計使用的是元件型號。作者因此採取以下流程：
- 由製造商規格書建立離散元件字典（Infineon、Wolfspeed、ST 等）。
- 將 MOSFET、頻率與電感匝數編碼為可搜尋索引。
- 以正規化 + 距離衡量公平比較 (R_{ds(on)})、電容與臨界電壓等規格書參數。
- 以 GP 代理模型 + Expected Improvement (EI) 選取下一個候選點。
- 以 SIMBA 電路模擬評估效率與損耗，並回饋更新代理模型。
圖 1：整體優化流程 — BO 提出候選設計，SIMBA 評估效率，並迭代更新 GP 代理模型。
案例規格：3.3 kW 降壓轉換器
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 拓樸 | 同步整流閉迴路降壓轉換器 |
| 額定功率 | 3.3 kW |
| 輸入電壓 | 400 V |
| 輸出電壓 | 220 V |
| 輸出電流 | 15 A |
| 頻率選項 | 60–200 kHz（8 組） |
| MOSFET 候選 | 20 顆商用元件 |
| 匝數選項 | 21–32 匝（12 組） |
| 組合空間 | 1,920 種設計 |
損耗模型涵蓋：
- MOSFET 導通與開關損耗（規格書 (C_{iss}/C_{oss}/C_{rss})、輸出/轉移曲線、(R_g)、body diode 反向恢復）
- 電感銅損（含 Litz 線幾何）與磁芯損耗（廣義 Steinmetz 方程式 GSE，含溫度分段）
- 偏磁效應對有效磁導率的修正
- 電容 ESR 損耗
主要結果
在約 30 次 BO 迭代後，搜尋逐漸聚焦於高效率區域，EI 趨近於零。
迴圈中得到的一組優異設計：
| 項目 | 數值 |
|---|---|
| MOSFET | C3M0045065K |
| 開關頻率 | 60 kHz |
| 電感匝數 | 32 |
| 模擬效率 | 98.38% |
重點在於：不必窮舉模擬全部 1,920 種組合，即可在離散元件空間中快速鎖定高效解。
圖 8：第 1 次迭代 — GP 代理模型不確定性大，EI 在多處出現峰值。
圖 11：第 30 次迭代 — 代理模型收斂，EI 趨近於零。
圖 12：所選 MOSFET（C3M0045065K）在最優工作點的損耗分布。
為什麼適合使用 SIMBA
論文以 SIMBA 作為 BO 迴圈中的評估引擎：
- 建立 3.3 kW 同步整流降壓模型與閉迴路控制
- 納入 MOSFET、同步整流、電感、電容與緩衝電路
- 每個候選點（元件、頻率、匝數）皆由 SIMBA 輸出功率、效率與損耗
- 模擬結果更新 GP，驅動下一次 EI 採樣
圖 2：SIMBA 中的同步整流閉迴路降壓轉換器，作為 BO 迴圈中的評估引擎。
這正是實務設計自動化的關鍵模式：規格書級離散元件 + 樣本效率優化 + 電路模擬。
相關 SIMBA 能力：
適合誰閱讀
適合關注以下主題的工程師與研究者：
- 電源轉換器自動元件選型
- 含離散／類別變數的貝葉斯優化
- 以規格書為基礎的 MOSFET 與磁性元件建模
- 真實零件約束下的降壓／DC-DC 效率優化
- 以 SIMBA 驅動的設計自動化流程
下載與引用
另見 English version。
建議引用：
阮晉松、蔡兆威、龐敏熙，〈一種將離散元件納入貝葉斯優化以實現電源電路設計自動化的新方法〉，《第四十六屆中華民國電力工程研討會暨第二十二屆台灣電力電子研討會》，2025 年 11 月。
重點整理
- 真實電源設計由商用離散元件主導，不只是連續 L/C 參數。
- 規格書參數距離 + 正規化，使貝葉斯優化能合理搜尋元件庫。
- 3.3 kW 降壓案例在約 30 次 SIMBA 評估內達到 >98% 效率（總空間 1,920 種）。
- 方法可延伸至更複雜拓樸與多目標優化。
關於本頁
本頁介紹使用 SIMBA 進行電源設計自動化的夥伴研究。學術內容歸屬上述 NTUST 作者。
