Sampled-data modeling and dynamical effect of output-capacitor time-constant for valley voltage-mode controlled ewline buck-boost converter

By analyzing the output voltage ripple of a buck-boost converter with large equivalent series resistance (ESR) of output capacitor, one valley voltage-mode controller for buck-boost converter is proposed. Considering the fact that the increasing and decreasing slopes of the inductor current are assumed to be constant during each switching cycle, an especial sampled-data model of valley voltage-mode controlled buck-boost converter is established. Based on this model, the dynamical effect of an output-capacitor time-constant on the valley voltage-mode controlled buck-boost converter is revealed and analyzed via the bifurcation diagrams, the movements of eigenvalues, the Lyapunov exponent spectra, the boundary equations, and the operating-state regions. It is found that with gradual reduction of output-capacitor time-constant, the buck-boost converter in continuous conduction mode (CCM) shows the evolutive dynamic behavior from period-1 to period-2, period-4, period-8, chaos, and invalid state. The stability boundary and the invalidated boundary are derived theoretically by stability analysis, where the stable state of valley voltage-mode controlled buck-boost converter can enter into an unstable state, and the converter can shift from the operation region to a forbidden region. These results verified by time-domain waveforms and phase portraits of both simulation and experiment indicate that the sampled-data model is correct and the time constant of the output capacitor is a critical factor for valley voltage-mode controlled buck-boost converter, which has a significant effect on the dynamics as well as control stability.     

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     

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.     

电压控制正极性输出罗变换器的改进平均模型建模及稳定性分析

基于平均建模法并考虑到正极性输出罗(positive output super-lift Luo, POSL Luo)变换器中能量传输电容电压存在突变的事实, 建立了POSL Luo变换器的改进平均模型, 推导并分析了POSL Luo变换器输出电压对占空比的传递函数. 建立了电压控制POSL Luo变换器的输出电压对基准电压的传递函数, 分析了系统的稳定性. 采用PSIM软件进行电路仿真以及设计硬件电路进行电路实验, 以PSIM仿真结果和电路实验结果验证了模型的有效性和理论分析的正确性. 研究结果表明: 相比于POSL Luo变换器已有的平均模型, 采用本文的改进平均模型可有效的分析POSL Luo变换器的特性及电压控制POSL Luo变换器的稳定性.     

基于双缘调制的数字电压型控制Buck变换器离散迭代映射建模与动力学分析

建立了双缘调制数字电压型控制Buck变换器的离散迭代映射模型. 在该模型的基础上, 详细研究了双缘调制数字电压型控制Buck变换器的非线性动力学行为. 以输入电压、负载电阻等电路参数作为分岔参数, 绘制了输出电压和电感电流的分岔图, 并通过分岔图的分析发现了两种相似却又不同的Hopf分岔现象. 采用庞加莱截面、时域仿真波形和相轨图, 对比分析了两种不同的Hopf分岔和低频振荡现象, 并引入离散迭代映射模型的雅克比矩阵的特征值分析方法, 从理论上证明了两种Hopf分岔的存在性和差异性. 首次观察到基于双缘调制的数字电压型控制Buck变换器出现了奇数倍周期分岔现象, 并通过时域仿真波形和相轨图验证了该现象的真实性. 为更加接近实际电路, 考虑电容和电感的等效串联电阻, 使用Psim进行仿真, 其结果与理论仿真结果基本一致, 验证了理论仿真的正确性.     

Mode shift and stability control of a current mode controlled buck-boost converter operating in discontinuous conduction mode with ramp compensation

By establishing the discrete iterative mapping model of a current mode controlled buck-boost converter, this paper studies the mechanism of mode shift and stability control of the buck-boost converter operating in discontinuous conduction mode with a ramp compensation current. With the bifurcation diagram, Lyapunov exponent spectrum, time-domain waveform and parameter space map, the performance of the buck-boost converter circuit utilizing a compensating ramp current has been analysed. The obtained results indicate that the system trajectory is weakly chaotic and strongly intermittent under discontinuous conduction mode. By using ramp compensation, the buck-boost converter can shift from discontinuous conduction mode to continuous conduction mode, and effectively operates in the stable period-one region.     

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.     

Dynamics and stabilization of peak current-mode controlled buck converter with constant current load

The discrete iterative map model of peak current-mode controlled buck converter with constant current load(CCL),containing the output voltage feedback and ramp compensation, is established in this paper. Based on this model the complex dynamics of this converter is investigated by analyzing bifurcation diagrams and the Lyapunov exponent spectrum. The effects of ramp compensation and output voltage feedback on the stability of the converter are investigated. Experimental results verify the simulation and theoretical analysis. The stability boundary and chaos boundary are obtained under the theoretical conditions of period-doubling bifurcation and border collision. It is found that there are four operation regions in the peak current-mode controlled buck converter with CCL due to period-doubling bifurcation and border-collision bifurcation. Research results indicate that ramp compensation can extend the stable operation range and transfer the operating mode, and output voltage feedback can eventually eliminate the coexisting fast-slow scale instability.     

峰值/谷值电流型控制开关DC-DC变换器的对称动力学现象分析

峰值电流和谷值电流控制开关DC-DC变换器在较宽的电路参数范围内具有对称动力学现象.文中建立了峰值电流和谷值电流控制buck,boost,及buck-boost变换器的统一离散迭代映射模型,并导出了统一的分段光滑迭代映射方程及特征值方程,通过数值仿真得到了占空比变化时的正、逆分岔图和Lyapunov指数谱.研究结果表明,峰值/谷值电流型控制开关变换器的分岔图和Lyapunov指数具有关于点或轴对称的现象.时域仿真结果验证了数值仿真结果,并进一步表明,随着占空比的变化,峰值/谷值电流型控制开关变换器具有对称动力学现象、对称动力学现象和非对称动力学现象共存、非对称动力学现象.     

峰值/谷值电流型控制开关DC-DC变换器的对称动力学现象分析

峰值电流和谷值电流控制开关DC-DC变换器在较宽的电路参数范围内具有对称动力学现象.文中建立了峰值电流和谷值电流控制buck,boost,及buck-boost变换器的统一离散迭代映射模型,并导出了统一的分段光滑迭代映射方程及特征值方程,通过数值仿真得到了占空比变化时的正、逆分岔图和Lyapunov指数谱.研究结果表明,峰值/谷值电流型控制开关变换器的分岔图和Lyapunov指数具有关于点或轴对称的现象.时域仿真结果验证了数值仿真结果,并进一步表明,随着占空比的变化,峰值/谷值电流型控制开关变换器具有对称动力学现象、对称动力学现象和非对称动力学现象共存、非对称动力学现象.     

基于改善关联性Buck变换器的混沌控制

由于Buck变换器具有非线性特性, 在一定参数条件下, 它会处于混沌状态, 此时Buck变换器不能正常工作. 为了抑制Buck变换器的混沌现象, 本文首先建立了Buck变换器的精确状态方程模型, 然后通过分析可控范围图、开关逻辑图、相图、电感电流波形、输出电压波形, 研究了基于改善Buck变换器的电感电流与输出电压之间关联性的混沌控制策略. 研究结果表明: 该控制策略能够将处于混沌状态的Buck变换器稳定在周期1, 2, 4, 8轨道, 且该控制策略不需要预先确定期望的目标轨道, 不依赖于Buck变换器的电路参数, 只取决于一个外部参数即耦合强度, 所以该控制策略同样适用于其他 拓扑结构的功率变换器. 关键词： 混沌控制 Buck变换器 关联性 耦合强度     

电压模式BUCK变换器输出延迟反馈混沌控制

将输出时间延迟反馈控制(TDFC)引入到电压模式BUCK变换器控制中，实现了对原系统的混沌控制.利用谐波平衡法，基于频域量化分析，确定出延迟时间和反馈增益的调节范围.同时在延迟时间比开关周期小得多的情况下，将TDFC等效为一类简单的无源反馈控制，二者仿真控制结果基本一致.最后搭建该无源反馈控制电压模式BUCK变换器实验电路，验证了所提控制方式可以快速实现系统混沌态到单周期态的过渡，而且电压和电流纹波得到减小.     

基于比例积分控制的电压反馈型Buck变换器分岔

在分段光滑模型的基础上,推导出基于比例积分(PI)控制的电压反馈型Buck变换器的光滑模型及离散迭代模型.证明了功率系统的混沌吸引子在负载线上运动,并受到占空比的控制,模型的流形围绕吸引子运动并出现1周期、2周期及混沌现象;推导出电压反馈型PI控制系统的输出电压与Buck变换器的输出电压成线性关系,在此基础上指出PI控制中的比例因子起主导作用;分析了系统的倍周期分岔、边界碰撞和混沌现象,并展示了变换器状态的转移过程.实验结果表明了理论建模分析和仿真的正确性.     

Notch filter feedback controlled chaos in buck converter

A method of controlling chaos in the voltage-mode buck converter is presented by using an improved notch filter feedback control in this paper. The proposed control part comprises a notch filter and a low-pass filter. The discrepancy between the outputs of the two filters is introduced into the control prototype of the power converter. In this way, the system period-1 solution is kept unchanged. The harmonic balance method is applied to analysing the variation law of the system bifurcation point, and then the stable range of the feedback gain is ascertained. The results of simulation and experiment are also given finally.[第一段]     

恒定导通时间控制buck变换器多开关周期振荡现象分析

研究了恒定导通时间(constant on-time,COT)控制buck变换器的多开关周期振荡现象,揭示了buck变换器输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)对COT控制buck变换器控制性能的影响.研究结果表明,输出电容等效串联电阻是buck变换器发生多开关周期振荡现象的关键因素,并给出了COT控制buck变换器发生多开关周期振荡的临界ESR值.当输出电容ESR值小于临界值时,发生多开关周期振荡现象;而当ESR大于临界值时,多开关周期振荡现象消失.最后 关键词： 恒定导通时间控制 buck变换器 振荡 等效串联电阻     

固定关断时间控制Buck变换器输出电容等效串联电阻的稳定性分析

通过专用电力电子仿真软件进行电路仿真, 定性分析了固定关断时间(fixed off-time, FOT)控制Buck变换器输出电压相位滞后于电感电流相位的原因及其引发脉冲簇发现象的机理, 探讨了如何调整输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance, ESR)的大小来消除这些复杂非线性现象, 并定量给出了FOT控制Buck变换器处于稳定工作状态时的ESR临界值.结果表明, 输出电容ESR对FOT控制Buck变换器工作状态的影响较大, 当ESR小于临界值时, 输出电压相位滞后于电感电流相位, 发生脉冲簇发现象;而当ESR大于临界值时, 输出电压与电感电流的变化保持同步, 脉冲簇发现象消失.通过描述函数法建立了参考电压至输出电压的传递函数, 由Routh-Hurwitz判据说明了ESR临界值是FOT控制Buck变换器的失稳条件.     

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.     

电压反馈型DC-DC变换器的稳定性研究

建立了电压反馈型DC-DC变换器连续运行模式下的频闪映射模型，利用离散映射方程的Jacobian矩阵的特征值分析了变换器在参数变化时不动点的失稳情况. 以具体的电压反馈型buck变换器为例， 通过理论分析与数值仿真，两者的结果具有很好的一致性，表明利用离散映射分析DC-DC变换器的稳定性是切实可行的. 关键词： 离散映射模型 DC-DC变换器 稳定性     

电感电流伪连续导电模式下Buck变换器的动力学建模与分析

以电感电流伪连续导电模式(pseudo-continuous conduction mode, PCCM)下Buck变换器为例, 通过对开关变换器的开关模态的完整描述, 建立了PCCM Buck变换器的精确离散时间模型. 基于该模型, 研究了PCCM Buck变换器在负载电阻、电感等效串联电阻、电感、电容、参考电流和输入电压等电路参数变化时的分岔行为, 并揭示了变换器存在的次谐波振荡、倍周期分岔和混沌等复杂动力学行为. 基于分段光滑开关模型的数值仿真, 得到变换器在不同负载电阻下的时域波形图和相轨图, 验证了离散时间模型的正确性. 理论分析和仿真结果表明: PCCM Buck变换器更适合工作在轻载条件, 加大负载会导致变换器工作状态的失稳以及工作模式的转移; 电感的等效串联电阻对变换器稳定性具有一定程度的影响, 且等效串联电阻越大, 变换器越稳定. 研究结果对于设计与控制PCCM Buck变换器具有重要意义.