DC-DC開(kāi)關(guān)變換器混沌現(xiàn)象研究

DC/DC開(kāi)關(guān)變換器混沌現(xiàn)象研究綜述摘要：dc/dc功率開(kāi)關(guān)變換器是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，通過(guò)對(duì)其混沌現(xiàn)象的研究可以更加深刻地認(rèn)識(shí)dc/dc變換器的本質(zhì)，也會(huì)在將來(lái)基于混沌現(xiàn)象提出新的設(shè)計(jì)方法和控制策略，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有dc/dc變換器無(wú)法達(dá)到的性能。本文介紹了dc/dc變換器混沌現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀，對(duì)dc/dc變換器混沌現(xiàn)象的基本建模方法進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，展望了dc/dc變換器混沌研究的發(fā)展和未來(lái)應(yīng)用前景。

abstract:dc/dcpowerswitchconverteristhecorepartofswitchpowersupply.throughthestudyofchaosphenomena,theessenceofdc/dcconvertercanbemoredeeplyunderstand,thenewdesignmethodsandcontrolstrategiesbasedonchaosphenomenawillbeputforwardinthefuture,toachievetheexistingdc/dcconverterthatcannotreach.thispaperintroducestheresearchstatusofthedc/dcconverterchaosphenomena,makescomprehensivecomparativeanalysisofthebasicmodelingmethodofdc/dcconverterchaosphenomena,andlookstoitsdevelopmentandfutureapplicationprospect.

關(guān)鍵詞：dc/dc變換器；混沌；非線性

keywords:dc-dcconverter；chaos；nonlinear

0引言

近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源在許多領(lǐng)域例如郵電通訊、軍事裝備、交通設(shè)備、儀器設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和家用設(shè)備等方面得到了廣泛的應(yīng)用，電源是各電子設(shè)備的核心，電源系統(tǒng)出故障就會(huì)使整個(gè)電子設(shè)備不能正常工作，因此，電源系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣和可靠性的高低直接決定著整個(gè)電子設(shè)備的質(zhì)量。dc/dc開(kāi)關(guān)變換器作為開(kāi)關(guān)電源的核心技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)諸如運(yùn)行狀態(tài)突然崩潰、系統(tǒng)不能按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等不規(guī)則和奇異的現(xiàn)象是常有的事。

dc/dc開(kāi)關(guān)變換器的非線性是固有的，在運(yùn)行中出現(xiàn)非常多非線性現(xiàn)象也不足為奇[1]-[3]，上述不規(guī)則和奇異現(xiàn)象是dc/dc開(kāi)關(guān)變換器中混沌現(xiàn)象普遍存在的。一旦dc/dc開(kāi)關(guān)變換器在混沌區(qū)域運(yùn)行，預(yù)測(cè)不了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的原因就是混沌的不確定性，這對(duì)dc/dc開(kāi)關(guān)變換器的控制性能造成的影響非常大，甚至?xí)屗耆Ｖ惯\(yùn)行。因此，我們不能只在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)研究dc/dc開(kāi)關(guān)變換器，應(yīng)該在非線性系統(tǒng)混沌現(xiàn)象理論的指導(dǎo)下，研究其運(yùn)行規(guī)律。

1dc/dc開(kāi)關(guān)變換器混沌現(xiàn)象研究現(xiàn)狀

目前，還沒(méi)給混沌一個(gè)統(tǒng)一的定義，但混沌卻有被人們普遍接受的基本特征：對(duì)初值的極端敏感性、存在不穩(wěn)定周期軌道的稠密集、具有正的lyapunov指數(shù)，功率譜連續(xù)、具有遍歷性，普適性等。

早在20世紀(jì)80年代末，就有了關(guān)于dc/dc開(kāi)關(guān)變換器的混沌現(xiàn)象的研究，而近些年來(lái)，這一領(lǐng)域的研究漸漸成為了國(guó)際上電力電子技術(shù)專(zhuān)家們研究的熱門(mén)課題。1990年krein和bass提出對(duì)功率電子電路中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行研究是非常重要的[4]。他們對(duì)有界、跳躍以及混沌現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，指出了非線性系統(tǒng)的有界特性，同時(shí)也說(shuō)明了dc/dc變換器工作于混沌狀態(tài)并不意味著就是不可靠，雖然早期對(duì)此并沒(méi)有給出嚴(yán)密的理論分析，但卻使從事功率電子學(xué)工作的專(zhuān)家想起了曾遇到過(guò)的一些奇異現(xiàn)象原來(lái)在科學(xué)上是可以解釋的，對(duì)這些奇異現(xiàn)象的研究將會(huì)對(duì)電路的設(shè)計(jì)有很大益處。隨后，hamill等人在1990年的ieee功率電子學(xué)專(zhuān)家學(xué)術(shù)會(huì)議上宣布了一篇關(guān)于buck開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的混沌現(xiàn)象研究論文，并在ieee功率電子學(xué)匯刊上發(fā)表[5]。這篇文章描述的是推導(dǎo)一種簡(jiǎn)單buck開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ccm）下的隱式迭代映射方法，通過(guò)對(duì)該隱式迭代映射法進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn)并演示了倍周期分岔、子諧波以及混沌的存在，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其真實(shí)性。

1991年，經(jīng)hamill等人的研究，發(fā)現(xiàn)了boost變換器工作在電流控制模式下的閉環(huán)迭代映射方法[6]。自此以后，許多電力電子技術(shù)專(zhuān)家都開(kāi)始探索分岔圖案和混沌吸引子的辨識(shí)。1997年，chan和tes在文章中指出在間斷導(dǎo)電模式（dcm）下的dc/dc變換器條件具備的情況下出現(xiàn)倍周期分叉現(xiàn)象也是有可能的[7]。

在了解了一些dc/dc變換器中的混沌現(xiàn)象之后，一些專(zhuān)家學(xué)者就對(duì)混沌現(xiàn)象的控制展開(kāi)研究。1998年，poddar等人提出了控制pwm型buck開(kāi)關(guān)變換器中存在的混沌現(xiàn)象的新方法——利用參數(shù)擾動(dòng)的方法。近些年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者在混沌控制的現(xiàn)象觀察，仿真證實(shí)等方面做出了新的貢獻(xiàn)，提出了一些創(chuàng)新點(diǎn)，這些都有利于研究如何對(duì)dc/dc變換器混沌現(xiàn)象進(jìn)行控制。

2dc/dc變換器的混沌建模方法

dc/dc開(kāi)關(guān)變換器是一種典型的時(shí)變非線性開(kāi)關(guān)電路，所以這種系統(tǒng)也具有復(fù)雜的現(xiàn)象：若不能穩(wěn)定工作，當(dāng)有些參數(shù)改發(fā)生變化時(shí)，就可能出現(xiàn)分叉、混沌等工作狀態(tài)。所以其混沌建模一直是一個(gè)困難的問(wèn)題，現(xiàn)有的建模方法分為兩類(lèi)，即純數(shù)值仿真方法和近似離散模型分析法。

上述兩種方法各有特點(diǎn)，其中純數(shù)值仿真法雖能發(fā)現(xiàn)dc/dc的混沌現(xiàn)象，但比較難解釋其發(fā)生的機(jī)理?，F(xiàn)在大部分的功率電子學(xué)中的電路都是非自治系統(tǒng)且由周期固定的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，因此離散映射法在其研究中的應(yīng)用是很合理的[8]-[10]，這種方法的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：使運(yùn)算量少了，能對(duì)dc-dc變換器在穩(wěn)定工作狀態(tài)、分叉、混沌等各種線性、非線性現(xiàn)象進(jìn)行正確分析。離散時(shí)間映射有異步切換映射（a-switchingmap）、同步切換映射（s-switchingmap）、頻閃映射（stroboscopicmap）、成對(duì)切換映射（two-by-twomap）。

3dc/dc變換器混沌發(fā)展方向及未來(lái)應(yīng)用

3.1混沌控制混沌的控制主要有兩大類(lèi)：無(wú)反饋控制法和反饋控制法。其中應(yīng)用最廣的是反饋控制法。至今，已經(jīng)誕生了更多的混沌控制方法，如：參數(shù)自調(diào)節(jié)控制方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法等等。dc/dc變換器混沌控制是一個(gè)新的概念和嘗試，已引起了非常廣泛的注意和興趣，但是dc/dc變換器的反混沌控制研究卻還處于起步階段，我們期待更多的學(xué)者研究出更多更有效的控制方法。

3.2利用混沌功率譜特性提高電磁兼容性關(guān)于電磁兼容性（emc）包含以下兩點(diǎn)內(nèi)容：電源能抑制其他設(shè)備對(duì)其造成的電磁干擾；電源不對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電源emc技術(shù)方法如：降低du/dt或di/dt，采用壓敏電阻來(lái)吸收浪涌電壓，阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制尖峰電壓，用軟恢復(fù)特性二極管抑制高頻噪聲，有源功率因數(shù)和諧波校正等。

周期或擬周期震蕩信號(hào)的頻譜是離散譜，而混沌周期振蕩輸出信號(hào)則是一定頻率范圍內(nèi)的連續(xù)譜，所以當(dāng)電磁傳輸功率一樣時(shí)，非線性混沌系統(tǒng)的頻譜平均分配在較寬的范圍內(nèi)，可以利用混沌這種固有的均勻分布頻譜功能來(lái)提高dc/dc開(kāi)關(guān)變換器的電磁兼容能力（emc）。利用混沌功率譜特性提高emc的優(yōu)點(diǎn)在于不用添加外加設(shè)備，節(jié)約成本，符合電源日益往小型化發(fā)展的趨勢(shì)。

3.3利用混沌同步特性進(jìn)行均流控制隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，超大規(guī)模集成電路的不斷涌現(xiàn)，電子設(shè)備電源的模塊化、智能化已是當(dāng)今電源技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)，但是這樣使得dc/dc變換器的并聯(lián)均流對(duì)變換器的容量、可靠性等影響比較大。研究表明，利用混沌的同步特性來(lái)實(shí)現(xiàn)dc/dc變換器的并聯(lián)均流成為了一個(gè)新的研究課題。

3.4利用混沌初值敏感性提高動(dòng)態(tài)特性混沌運(yùn)動(dòng)對(duì)初始值的極端敏感性，表現(xiàn)為從任意靠近兩個(gè)初始值出發(fā)的軌道在一定的時(shí)間區(qū)域內(nèi)將會(huì)以指數(shù)形式分離，我們不需要改變系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)的控制，這是其他非線性混沌系統(tǒng)所不能做到的。

3.5利用混沌遍歷性進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化和辨識(shí)混沌運(yùn)動(dòng)在其混沌吸引域內(nèi)是各態(tài)歷經(jīng)的，即在有限時(shí)間內(nèi)混沌軌道經(jīng)過(guò)混沌區(qū)內(nèi)每一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，所以可以利用混沌運(yùn)動(dòng)在一定的范圍內(nèi)按照自身“規(guī)律”能夠不重復(fù)地遍歷所有狀態(tài)這一特點(diǎn)，把混沌變量的遍歷范圍最終調(diào)整為被優(yōu)化變量的取值范圍，之后再利用混沌變量搜索最優(yōu)值，這樣的效果肯定會(huì)優(yōu)于傳統(tǒng)上采用的隨機(jī)搜索方法，根據(jù)上述特點(diǎn)，可以將運(yùn)用混沌的遍歷性運(yùn)用在電力電子變換器的參數(shù)辨識(shí)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中。已有文獻(xiàn)表明這種優(yōu)化方法在模糊電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的最優(yōu)設(shè)計(jì)以及靜態(tài)負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)中得到應(yīng)用并取得了成功。

4結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，電源技術(shù)也在不斷發(fā)展：我們運(yùn)用各種技術(shù)方法擴(kuò)展電源的功率范圍、提高電源的電氣性能、節(jié)能效果、工作可靠性、電源小型化和集成化的程度、積極研發(fā)工作在高溫、高海拔、高潮濕、高鹽霧、抗輻射等特殊自然環(huán)境和冶金、焊接、電鍍、熱處理等特殊工作環(huán)境下的特種電源。我們對(duì)其核心，dc/dc變換器混沌現(xiàn)象的研究還只是一個(gè)開(kāi)始，許多問(wèn)題尚待解決。但隨著越來(lái)越多學(xué)者的進(jìn)一步深人研究，dc/dc變換器的本質(zhì)一定會(huì)被認(rèn)識(shí)得更加深刻，dc/dc變換器的應(yīng)用也會(huì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，而由此帶來(lái)的dc/dc變換器設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的革命與創(chuàng)新，或許會(huì)對(duì)郵電通訊、軍事裝備、交通設(shè)備、儀器設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和家用設(shè)備等在工業(yè)上受益。

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