基于开关电感结构的混合升压变换器非线性现象研究

将开关电感结构嵌入到传统Boost变换器中可以显著提高Boost变换器的电压传输比, 同时减少开关器件的电流应力, 降低损耗, 提高效率, 具有广阔的应用前景. 本文首次研究了基于开关电感结构的混合升压变换器的分岔和混沌现象, 导出了连续电流模式下的离散迭代映射模型, 采用分岔图分析了电路参数对系统性能的影响, 发现此变换器不仅发生了倍周期分岔、边界碰撞分岔、切分岔和阵发混沌, 还存在一种特殊的现象: 随着电容C和电感L₂的减小, 电路的运行状态并非严格经历1倍周期、2倍周期和4倍周期, 而是在4倍周期期间发生了分岔轨迹相交的情况, 在相交的一点, 变换器工作于周期3. 最后通过典型的时域波形和相轨图验证了这种特殊现象的存在. 研究结果表明, 当电路参数变化时, 基于开关电感结构的混合升压变换器比传统低维Boost变换器具有更加复杂、多样化的非线性现象. 关键词： 开关电感 混合升压变换器 离散迭代映射 混沌     

具有两个边界的Boost变换器分岔行为和斜坡补偿的镇定控制

电流控制型Boost变换器在较宽的电路参数下具有两个边界,建立了采用斜坡补偿电流的分段光滑迭代映射方程,并导出了轨道状态发生转移时的分界线方程,通过数值仿真得到了输入电压和斜坡补偿斜率变化时的逆分岔图和它们的动力学行为分布图.研究结果表明,随着输入电压逐步减小,Boost变换器从稳定的周期1态,经在边界1上发生边界碰撞分岔后进入连续传导模式（CCM）下的鲁棒混沌态,并经在边界2上发生边界碰撞分岔后进入不连续传导模式（DCM）下的强阵发性的弱混沌态.通过引入合适的斜坡补偿电流,Boost变换器的工作模式可以 关键词： Boost变换器 斜坡补偿 迭代映射方程 镇定控制     

电压型双频率控制开关变换器的动力学建模与多周期行为分析

在断续导电模式下, 建立了电压型双频率控制开关变换器的动力学模型, 并推导了相应的特征值方程. 根据动力学模型, 采用分岔图研究了电路参数变化时变换器存在的边界碰撞分岔行为和周期2, 周期3,周期4等多周期行为, 结果表明: 变换器经历了周期1态、多周期态、周期1态的分岔路由; 周期态的转变均是由边界碰撞分岔引起的. 根据特征值方程, 采用Lyapunov指数研究了变换器的稳定性, 结果表明: 随着电路参数的变化, Lyapunov指数始终小于零, 变换器一直工作于稳定的周期态, 验证了电压型双频率控制开关变换器的周期3行为并不意味着变换器会必然发生混沌. 通过电路仿真, 分析了负载变化时变换器的时域波形、相轨图和频谱图, 验证了动力学模型的可行性和理论分析的正确性. 实验结果验证了文中的仿真结果. 关键词： 开关变换器 双频率控制 边界碰撞分岔 多周期行为     

电路参数宽范围变化时电流控制开关变换器的动力学研究

以电流控制Buck—Boost变换器为例,通过对输入电压和负载电阻等电路参数宽范围变化时开关变换器的开关状态的完整描述,导出了电流控制开关变换器的两个电感电流边界,建立了它的精确离散时间模型,并利用分段线性模型验证了离散时间模型的正确性．基于离散时间模型,揭示了开关变换器存在周期分岔、边界碰撞分岔、鲁棒混沌和阵发混沌等复杂动力学行为;通过推演Jacobi矩阵,给出了电路参数变化时最大Lyapunov指数和特征值的运动轨迹;并采用参数空间映射图,由电路参数域对开关变换器的工作状态域进行了估计．最后进行了电路实验制作,实验观察结果与理论分析结果～致．本文系统研究了开关变换器的动力学理论,其分析方法和研究结果对开关变换器的设计及控制都具有重要的指导意义．     

电压模式控制不连续传导模式 boost变换器切分岔研究

电压模式控制boost变换器能产生多种分岔形式,对其分岔中的一类重要的切分岔现象进行了详细研究. 首先根据系统的一次离散迭代映射推导出其三次离散迭代映射模型,基于非线性系统理论中的切分岔定理, 从数学上推导出此类变换器产生切分岔现象的条件,并通过数值仿真研究了电路参数对这类变换器切分岔现象的影响.研究结果表明:当系统的反馈系数处在一定范围内时,该类变换器会出现切分岔和阵发混沌现象. 最后通过实验研究boost变换器中存在的这类不稳定非线性现象,验证了理论分析和数值仿真的正确性.     

一类具有两个边界的分段光滑系统中边界碰撞分岔现象及混沌

以不连续运行模式下的电流反馈型Buck-Boost变换器为例，导出了一类具有三段形式的分段光滑迭代映射方程，数值仿真得到了输入电压变化时的分岔图.结果表明，发生分岔时映射雅可比矩阵的特征值以不连续的方式跳跃出复平面上的单位圆，而且映射总有某个或某些轨道点位于相平面中不同区域的边界上，即映射随输入电压的变化会发生边界碰撞分岔现象，如由周期态到周期态以及由周期态到混沌态的分岔. 关键词： 分段光滑系统 边界碰撞分岔 混沌     

电流模式SEPIC变换器倍周期分岔现象研究

以SEPIC变换器中前置电感电流为控制对象,建立了SEPIC变换器断续电流模式下的离散时间模型, 并分析了不动点的稳定性.通过相轨图、功率谱图以及分岔图, 发现电路中存在一种特殊的倍周期分岔现象——电路的运行状态经历了1倍周期、 2倍周期、4倍周期再到2倍周期、4倍周期,最终进入混沌状态.实验结果与仿真结果相一致, 证实了SEPIC变换器在断续电流模式下存在这种倍周期分岔现象.     

谷值V~2控制Boost变换器的精确建模与动力学分析

建立了谷值V2控制Boost变换器的离散迭代映射模型,在此基础上得到了输入电压、输出电容及其等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)变化时的分岔图,推导了不动点处的雅可比矩阵,利用特征值和最大Lyapunov指数对系统进行了稳定性分析,并验证了分岔图的正确性.重点研究了输入电压和输出电容及其ESR对谷值V2控制Boost变换器的动力学特性的影响.研究结果表明,输入电压增大时,变换器从周期1态经历1次倍周期分岔和边界碰撞分岔进入混沌状态;输出电容及其ESR具有相同的分岔路由,随着输出电容及其ESR的逐渐减小,变换器具有从周期1态经历周期2态、周期4态、周期8态、逐渐演变到混沌态的动力学行为.最后,用仿真和实验结果验证了本文理论分析的正确性.     

脉冲序列控制电流断续模式Buck变换器的动力学建模与边界碰撞分岔

通过建立一个开关周期内输出电容电荷变化量对应的输出电压变化量, 建立了工作于电感电流断续模式(discontinuous conduction mode, DCM)的脉冲序列(pulse train, PT)控制Buck变换器的近似离散时间模型, 研究了负载电阻及输入电压变化时PT控制DCM Buck变换器的边界碰撞分岔行为. 通过构造相应的迭代映射曲线, 分别分析了不同负载电阻时PT控制DCM Buck变换器的周期1、周期2和周期3运行轨迹的不动点稳定性, 揭示了PT控制DCM Buck变换器在不同周期态时的边界碰撞分岔的形成机理. 研究结果表明, 随参数变化, PT控制DCM Buck变换器始终运行在不同的周期态, 各周期态的切换由边界碰撞分岔引起, 李雅谱诺夫指数始终小于零. 利用PSIM电路仿真软件, 给出了不同负载电阻时的时域波形和相轨图. 实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性, 同时说明了本文动力学建模的可行性.     

开关变换器倍周期分岔精细层次结构及其普适常数研究

讨论了开关变换器倍周期分岔级联的精细层次结构和标度不变性;数值仿真得到一维、二维开关变换器倍周期分岔及混沌带合并序列的普适常数;系统谱结构可以进一步判断解的性态,显示解的结构,同时开关变换器混沌层次结构的尺度差别也反映在谱结构的精细特征上;最后实验研究了开关变换器倍周期分岔通向混沌的过程,验证了数值仿真的结论. 关键词： 开关变换器 倍周期分岔 普适常数 标度不变性     

峰值电流控制型功率因数校正Boost变换器的分岔行为

分析了电流控制型功率因数校正Boost变换器的分岔行为，包括了高频不稳定现象和低频分岔。电流连续导通模式下进行的功率因数校正变换器分析阻碍了对这种变换器全部动力学特性的认识。功率因数校正变换器可能会工作于电流断续导通模式，特别是在轻载的情况下这种现象更明显。因此，本文使用电流断续导通模型来分析可能工作在电流断续导通状态下功率因数校正变换器，得到了变换器的低频分岔图，使得变换器经历倍周期分岔通向混沌途径更加清楚。对于负载电阻和输出电容的分岔图也说明了变换器的稳定工作边界，这些对变换器的设计是十分有用的。     

基于符号序列描述的一类分段光滑系统中分岔现象与混沌分析

从拓扑序列出发，提出了描述DC/DC变换器一类分段光滑系统中的分岔现象和混沌行为的符号序列方法，根据最大子序列的性态判别分岔的类型，以及检测边界碰撞分岔的发生.例如,当发生倍周期分岔时，最大子序列保持不变；当发生边界碰撞分岔时，最大子序列发生变化；混沌态则没有最大子序列.研究表明，占空比是表征DC/DC变换器一类分段光滑系统动力学行为的一个最本质的量，“饱和非线性”是引起边界碰撞分岔产生的根本原因. 关键词： 符号序列 分岔 混沌 分段光滑系统     

开关变换器斜坡补偿动力学机理研究

在反馈控制电路中引入适当的斜坡补偿电流,既可以有效拓宽电流控制开关DC-DC变换器稳定工作范围,实现混沌镇定控制,又可以使其工作模式从断续导电模式转移至连续导电模式,实现工作模式转移.以电流控制Buck-Boost变换器为例,通过建立含斜坡补偿的具有两个电感电流边界的二维离散时间模型和相应的Jacobi矩阵,深入研究了开关DC-DC变换器斜坡补偿的动力学机理.通过分析稳定性失稳和边界碰撞分岔的条件,讨论了斜坡补偿对开关DC-DC变换器稳定周期振荡和工作模式转移的影响,分别给出了相应的稳定性分界线和模式转移分界线.制作了实验电路,由实验结果说明了斜坡补偿对开关DC-DC变换器混沌镇定控制和工作模式转移的物理意义,并验证了理论分析的正确性.     

电流控制二次型Boost变换器的动力学研究

通过对二次型Boost变换器开关状态的完整描述, 推导了两个电感电流边界, 建立了电流控制二次型Boost变换器的分段光滑迭代映射模型. 对比分析了以输入电感电流或储能电感电流作为电流反馈量的非线性分岔行为. 通过稳定性和工作模式分析, 得到了电流控制二次型Boost变换器从稳定的周期1工作状态到次谐波振荡状 态转移以及从电感电流不连续导电模式到连续导电模式转移的条件, 并采用参数空间映射图, 对二次型Boost变换器的工作状态域进行了估计. 设计了实验电路, 由实验结果证明了不同的参数变化有着不同的分岔路由, 存在工作模式转移现象, 电流控制二次型Boost 变换器呈现复杂的动力学行为, 实验结果验证了理论分析的正确性. 关键词： 二次型Boost变换器 开关状态 模式转移 边界碰撞分岔     

斜坡补偿电流模式控制开关变换器的动力学建模与分析

降压型、升压型和升压-降压型DC-DC变换器是应用广泛的基本开关DC-DC变换器.电流模式控制开关DC-DC变换器在较宽的电路参数范围内具有两个边界,基于开关切换前后电感电流的上升和下降斜率,建立了斜坡补偿电流模式控制开关DC-DC变换器的统一模型.该模型进行无量纲归一化处理后只有三个参数,可有效展示开关DC-DC变换器在电感电流连续传导模式(CCM)和电感电流不连续传导模式(DCM)时的动力学特性.利用此模型,导出了轨道状态发生转移时的两个分界线方程,由此确定了开关DC-DC变换器的稳定周期1域、CCM鲁棒混沌域和DCM弱混沌强阵发域三个工作状态区域.开关DC-DC变换器二维参数映射图和电流模式控制降压型DC-DC变换器的电路实验观察验证了由两条分界线划分工作状态域的正确性.     

一类由饱和引起的非线性现象

以一个功率因数校正boost变换器为例,描述了当系统在饱和与非饱和状态间不断切换时出现的一类非线性现象,分析了这些现象的特点和产生原因.推导了考虑饱和的分段微分方程,并据此进行了仿真,结果表明,系统一方面会出现倍周期分岔和混沌等传统的非线性现象,另一方面由于整流输入电流碰到饱和边界,系统的定性行为发生突变,会出现边界碰撞分岔,还能从混沌直接变为周期1.这类由饱和引起的非线性现象及相关分析得到了实验验证. 关键词： 饱和 非线性 分岔 混沌     

电流反馈型Buck变换器二维分段光滑系统边界碰撞和分岔研究

最近几年,边界碰撞分岔已经引起了越来越多的关注.以不连续导通模式下的电流反馈型Buck变换器为例,推导出两个边界三段形式的分段光滑系统的离散映射模型.数值仿真得到以参考电流为分岔参数的分岔图,然后具体分析定点的稳定存在域、分叉图中各段的映射构成和边界碰撞点处工作模式的转换.最后软件仿真和实验验证了二维分段光滑系统边界碰撞和分岔行为的正确性.     

强迫布鲁塞尔振子中的阵发混沌

用数值计算证实了在周期外力作用下的三分子反应模型(布鲁塞尔振子)中存在着走向混沌状态的阵发道路。研究了阵发混沌的发展过程。讨论了数值研究中区分阵发混沌和暂态过程的方法。我们的工作进一步说明,原来在参数空间中发现的嵌在混乱带中的大片周期为3的区域(以及周期为4,5,6,7等的较小区域),对应于一维非线性映象相像的切分岔)每个切分岔开始前均可看到阵发混沌。因此,走向混沌的倍周期分岔道路和阵发道路乃是孪生现象,应在更多的由非线性微分方程描述的系统中观察到。 关键词：     

一类由饱和引起的非线性现象

以一个功率因数校正boost变换器为例，描述了当系统在饱和与非饱和状态间不断切换时出现的一类非线性现象，分析了这些现象的特点和产生原因.推导了考虑饱和的分段微分方程，并据此进行了仿真，结果表明,系统一方面会出现倍周期分岔和混沌等传统的非线性现象，另一方面由于整流输入电流碰到饱和边界，系统的定性行为发生突变，会出现边界碰撞分岔，还能从混沌直接变为周期1.这类由饱和引起的非线性现象及相关分析得到了实验验证.     

多频率控制开关变换器的自相似和混频现象分析

在多频率控制开关变换器的工作原理及状态方程的基础上,建立了多频率控制断续导电模式开关变换器的离散迭代映射模型,并推导了相应的特征值方程和Lyapunov指数.根据离散迭代映射模型,对多频率控制开关变换器进行了分岔分析.结果表明:在电路参数变化时,变换器存在边界碰撞分岔行为和多周期行为;当误差界限电压较大时,变换器表现出自相似现象,而当误差界限电压较小时,变换器则表现出混频现象.采用Lyapunov指数研究了变换器的稳定性,验证了分岔分析的正确性.经过电路仿真,进一步分析了负载变化时变换器的时域波形和相轨图,并验证了离散迭代映射模型的有效性和理论分析的正确性.最后通过实验结果验证了文中的仿真结果.