V2控制開關DC-DC變換器及其非線性動力學研究.pdf

1、隨著電子技術的發(fā)展，各種新型電子產品的功能越來越完善，對電源的瞬態(tài)響應速度及穩(wěn)定性要求越來越高。開關電源的V2控制技術因其具有快速的負載瞬態(tài)響應速度而受到了研究者的廣泛關注。已有文獻對V2控制開關變換器的研究主要體現(xiàn)在控制原理、小信號建模、瞬態(tài)特性分析和控制方法優(yōu)化等。開關變換器屬于分段光滑的非線性時變系統(tǒng)，存在低頻波動、次諧波振蕩、倍周期分岔、邊界碰撞分岔和混沌等非線性動力學現(xiàn)象。運用動力學理論分析和揭示V2控制開關變換器內在的非線性

2、動力學現(xiàn)象及其產生機理，對V2控制開關變換器的參數(shù)設計和選擇具有十分重要的理論和指導意義。
　　本論文建立了峰值和谷值V2控制Buck變換器的一階等效離散映射模型?；谝浑A等效模型，利用分岔圖、Lyapunov指數(shù)、狀態(tài)參數(shù)空間等動力學分析方法對峰值和谷值V2控制Buck變換器的非線性特性及穩(wěn)定性進行了研究，并分析了斜坡補償對其動力學行為及穩(wěn)定性的影響。從動力學的角度分析了峰值和谷值V2控制Buck變換器的穩(wěn)定運行參數(shù)范圍:峰值V

3、2控制在占空比小于0.5時穩(wěn)定運行，谷值V2控制在占空比大于0.5時穩(wěn)定運行;利用斜坡補償既可以拓展V2控制Buck變換器的穩(wěn)定運行參數(shù)范圍，也可以使工作于斷續(xù)導電模式(discontinuous conduction mode，DCM)的峰值V2控制Buck變換器向連續(xù)導電模式(continuous conduction mode，CCM)轉移。
　　建立了峰值和谷值V2控制Buck變換器的二階精確離散映射模型，推導了相應的輸出

4、電壓邊界、Jacobi矩陣和特征值，采用分岔圖、特征值運動軌跡、最大Lyapunov指數(shù)、龐加萊映射等方法詳細研究了基于二階精確模型的峰值和谷值V2控制Buck變換器的非線性動力學行為和穩(wěn)定性，并對峰值和谷值V2控制Buck變換器進行了對比分析。研究結果表明:在CCM模式，以輸入電壓、參考電壓、比例系數(shù)為分岔參數(shù)時，峰值和谷值V2控制Buck變換器具有相反的分岔特性，即:隨著分岔參數(shù)的增大，谷值（峰值）V2控制Buck變換器具有從CCM

5、周期1依次經歷1次倍周期分岔和1次邊界碰撞分岔后進入CCM混沌狀態(tài)的分岔（逆分岔）路由;以輸出電容及其ESR為分岔參數(shù)時，峰值和谷值V2控制Buck變換器具有相同的分岔特性，即:隨著分岔參數(shù)的減小，谷值和峰值V2控制變換器從CCM周期1依次經歷3次倍周期分岔和1次邊界碰撞分岔后進入CCM混沌狀態(tài)的分岔路由。
　　結合Boost變換器的工作模式及輸出電壓紋波的特點，首次將谷值V2控制方法應用于Boost變換器。詳細分析了谷值V2控制

6、Boost變換器的工作原理，建立了相應的小信號模型，推導了控制—輸出、輸入—電感電流、控制—電感電流、輸入—輸出、輸出阻抗等傳遞函數(shù)，分析了其頻域特性，并與谷值電流控制Boost變換器進行了比較。研究結果表明，谷值V2控制Boost變換器與谷值電流控制Boost變換器相比，具有更快的輸入和負載瞬態(tài)響應速度。
　　通過電壓邊界建立了谷值V2控制Boost變換器的一階等效離散映射模型和二階精確離散映射模型，推導了相應Jacobi矩陣和

7、特征值，研究了谷值V2控制Boost變換器的非線性動力學行為。以一階等效模型為例，討論了斜坡補償對谷值V2控制Boost變換器的動力學特性的影響。基于一階等效模型的研究結果表明:采用谷值V2控制的Boost與Buck變換器具有相同的穩(wěn)定特性，斜坡補償可以拓展谷值V2控制Boost變換器穩(wěn)定運行參數(shù)范圍?；诙A精確模型的研究結果表明:采用谷值V2控制的Boost和Buck變換器在輸入電壓、輸出電容及其ESR變化時的分岔特性相同。研究結果