DC-DC開關(guān)變換器的非線性動力學(xué)特性研究.pdf

1、DC-DC開關(guān)變換器具有極其廣泛的用途。它們是一類典型的強(qiáng)非線性時(shí)變系統(tǒng)，在一定的工作條件下呈現(xiàn)出豐富的非線性現(xiàn)象，如各種類型的分岔、混沌等。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對其在穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多方面性能的要求不斷提高。因此，深入研究其非線性現(xiàn)象、特性及產(chǎn)生機(jī)制，對于深刻認(rèn)識這類開關(guān)變換器，揭示這些非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)，進(jìn)而優(yōu)化這類變換器的設(shè)計(jì)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，對于拓展電力電子學(xué)的研究領(lǐng)域，促進(jìn)電力電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，豐

2、富非線性科學(xué)的研究內(nèi)容也具有重要的理論意義。
　　 本文以非線性動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從DC-DC開關(guān)變換器的建模、非線性現(xiàn)象分析、非線性現(xiàn)象機(jī)理研究、光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤中DC-DC開關(guān)變換器的動力學(xué)特性、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等五個(gè)方面對DC-DC開關(guān)變換器的非線性動力學(xué)特性進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文主要研究工作和取得的研究成果包括:
　　 1) DC-DC開關(guān)變換器的建模。結(jié)合三端器件開關(guān)模型法、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均模型法及能量守恒

3、法的特點(diǎn)，提出了一種新的建模方法。建立了包含功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、二極管的正向電阻和正向壓降、電感和電容的等效串聯(lián)電阻、變壓器的激磁電感等寄生參數(shù)的等效電路模型，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出其相應(yīng)的DC和交流小信號電路模型。根據(jù)該模型，對其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行了深入的理論分析和仿真研究。結(jié)果表明，輸出電容的等效串聯(lián)電阻和MOSFET延遲效應(yīng)對變換器的高頻特性有較大的影響，功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、二極管的正向?qū)娮?、電感等效串?lián)電阻影響其低頻特性。該方法

4、具有精度高、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
　　 2) DC-DC開關(guān)變換器的非線性現(xiàn)象研究。本文重點(diǎn)研究了倍周期分岔、切分岔、混沌和陣發(fā)混沌這些非線性現(xiàn)象。從理論上，導(dǎo)出變換器的一次和三次離散迭代映射方程，論證了變換器在一定條件下滿足產(chǎn)生倍周期分岔和切分岔所需的條件，采用圖解的方法分析了倍周期分岔、切分岔、混沌和陣發(fā)混沌的演化過程，詳細(xì)討論了變換器產(chǎn)生倍周期分岔的臨界值與電路參數(shù)的關(guān)系。
　　 3) DC-DC開關(guān)變換器的非線性現(xiàn)象

5、機(jī)理研究。根據(jù)非線性動力學(xué)原理，分析了變換器倍周期分岔、切分岔、混沌和陣發(fā)混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，揭示了這種非線性現(xiàn)象的物理本質(zhì)。其物理本質(zhì)是:在一定的工作條件下，當(dāng)變換器的某些電路參數(shù)（如參考電流，電壓反饋系數(shù)）等于某一臨界值時(shí)，系統(tǒng)離散迭代映射方程的解的數(shù)目和穩(wěn)定性會發(fā)生突變，使得倍周期分岔和切分岔的條件得以滿足，從而引起倍周期分岔和切分岔現(xiàn)象。隨著電路參數(shù)的不斷變化，方程的解的數(shù)目和穩(wěn)定性也在不斷地突變，導(dǎo)致系統(tǒng)不斷地發(fā)生分岔現(xiàn)象，最

6、終趨向混沌運(yùn)動狀態(tài)。而在發(fā)生切分岔之前，當(dāng)某些參數(shù)有變化達(dá)到某一臨界閾值時(shí)，長時(shí)間的規(guī)則行為與相對短時(shí)間的突發(fā)不規(guī)則運(yùn)動之間隨機(jī)地交替出現(xiàn)，也就是帶有偶發(fā)不規(guī)則運(yùn)動的近似周期運(yùn)動，由此產(chǎn)生陣發(fā)混沌現(xiàn)象。
　　 4)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)中DC-DC開關(guān)變換器的動力學(xué)特性分析。建立了光伏發(fā)電MPPT交錯并聯(lián)boost變換器的離散迭代映射模型，在此基礎(chǔ)上采用分岔圖、時(shí)域波形圖、相軌跡圖方法，研究了其動力學(xué)特性，在變換器的

7、穩(wěn)定域、輸入電感電流和輸出電容電壓的紋波、變化幅度等方面進(jìn)行詳細(xì)的討論，并與普通boost變換器進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，在相同電路參數(shù)的情況下，與一般boost變換器相比，交錯并聯(lián)boost變換器的穩(wěn)定域更大，電感電流和電容電壓的紋波小、變化幅度小，更適用于光伏發(fā)電MPPT。
　　 5)實(shí)驗(yàn)。對DC-DC開關(guān)變換器電路中的倍周期分岔、切分岔、陣發(fā)混沌、混沌等非線性現(xiàn)象以及光伏發(fā)電MPPT中交錯并聯(lián)boost變換器進(jìn)行了較全面的實(shí)