第一章  緒論 

1.1  研究背景 
近年來，開關電源因其具有體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點，得到了飛速的發(fā)展，在電源技術方面已經(jīng)占有相當重要的位置[1]。開關電源技術在交通、航空航天、電力系統(tǒng)、工業(yè)等領域也有了廣泛的應用。 開關功率變換器是開關電源的核心，它在實際運行的時候，往往會出現(xiàn)一些不可預知的現(xiàn)象，比如，控制系統(tǒng)的次諧波振蕩、變換器產生非常刺耳的電磁噪聲、系統(tǒng)的突然崩潰以及無法按照規(guī)定的要求工作等。這些非線性現(xiàn)象普遍存在于電力電子系統(tǒng)中，并且阻礙了人們對開關功率變換器的研究、設計以及開發(fā)，大大限制了開關功率變換器性能的提高和發(fā)展。然而，一直以來人們則將上述非線性現(xiàn)象歸結為系統(tǒng)的故障或外界隨機擾動所致，并沒有很好地透過現(xiàn)象看到它的本質。 而實際上，，功率變換器的這些不穩(wěn)定現(xiàn)象是由于采取了功率開關管以及儲能元件等非線性器件所導致的[2-4]。這些非線性行為給功率變換器的穩(wěn)定運行帶來了特別大的困擾，為此，國內外的學者對開關功率變換器非線性現(xiàn)象的抑制展開了全面的研究工作。人們利用各種方法，對變換器工作時出現(xiàn)的非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了很多的研究，發(fā)現(xiàn)在 DC-DC、AC-DC、DC-AC 功率變換器等開關電源設備中存在著相當豐富的非線性現(xiàn)象[5-13]。目前，開關功率變換器非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)發(fā)展成為電力電子學中一個重要的分支范疇。 峰值電流控制、平均電流控制以及滯環(huán)電流控制是研究開關功率變換器非線性現(xiàn)象時典型的控制策略。峰值電流控制具有動態(tài)響應快、增益帶寬大、能夠快速限流過流保護以及輸出電感小等優(yōu)點。但是它的不足之處是，當占空比大于 50%時，系統(tǒng)容易產生次諧波振蕩等非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象，當占空比小于 50%時，系統(tǒng)則穩(wěn)定運行[14-16]。有研究表明，采取平均電流法控制時，開關功率變換器的系統(tǒng)同樣也會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，但是，主要表現(xiàn)為慢時標不穩(wěn)定現(xiàn)象[17]。這樣分析可知，峰值電流與平均電流控制都各自存在控制上面的缺點，為此，在系統(tǒng)設計時需要給其添加一定的外界擾動作為補償。目前為止，各種擾動補償方式也相繼被提出，這樣的研究工作已取得了一定的成效  [18-24]。然而，這些控制策略各有不足之處，有的只是停留在理論階段，而有的運用到實際設計中的電路太過復雜，所以不方便在工程上得到應用與推廣。所以，進一步研究開關功率變換器使之在工程中得到應用和推廣，不僅具有十分好的理論價值，并且也符合實際工程中的要求，也具有很好的工程價值。
............

1.2  研究目的和意義 
按控制模式劃分的方法，開關電源可以分為電壓模式和電流模式，相對電壓模式來說，電流模式具有增益帶寬大、輸出電感小、動態(tài)響應快、容易實現(xiàn)限流和過流保護等優(yōu)點[25]，而常用的電流控制模式又可以分為峰值電流、平均電流和滯環(huán)電流控制，其中，峰值電流模式的顯著特點是瞬態(tài)響應性能好。所以，系統(tǒng)在要求瞬態(tài)響應性能的設計時，常用峰值電流模式的控制方法，在對峰值電流控制的 DC-DC Boost 功率變換器進行研究時，出現(xiàn)了次諧波振蕩、分岔以及混沌等非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象。對于消除以及采取何種補償方式消除這些不穩(wěn)定現(xiàn)象，使功率變換器具有較高的瞬態(tài)響應性能和保證系統(tǒng)在整個工作區(qū)都能穩(wěn)定的工作，是目前研究的難點和熱點。 對于 DC-DC Boost 功率變換器，很多學者只對次諧波振蕩、分岔、混沌等不穩(wěn)定現(xiàn)象的控制進行研究，并沒有對在輸入直流電壓跳變的情況下功率變換器的瞬態(tài)響應性能和穩(wěn)定性能進行研究。由于很多研究只是局限于輸入直流電不變的情況，并沒有將其擴展到實際輸入直流電壓可能跳變的整個過程中去，所以，目前大多數(shù)的研究，無法同時達到在輸入直流電壓跳變的時候，每個開關周期的穩(wěn)定和快速瞬態(tài)響應的效果。 在實際設計中，當輸入直流電壓跳變時，為保證功率變換器能保持每個開關周期的穩(wěn)定和快速的瞬態(tài)響應效果，提出了一種動態(tài)優(yōu)化的斜坡補償設計思路及精確的參考電流補償模型。通過研究，可以得出一種動態(tài)優(yōu)化斜坡補償電路，通過試驗驗證其可行性，實現(xiàn)電路的穩(wěn)定性和單周期的快速響應能力。采用動態(tài)優(yōu)化斜坡補償?shù)?DC-DC Boost 功率變換器進行瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性測試以及整體功率變換器的性能優(yōu)化是本課題研究的目的。 
.............

第二章  電力電子中的混沌現(xiàn)象 

混沌現(xiàn)象普遍存在與大自然和各個領域中，而在電力電子研究領域，它有其獨特的特點。開關功率變換器在運行的時候，常常會出現(xiàn)一些不可預知的現(xiàn)象，比如，控制系統(tǒng)的次諧波振蕩、變換器產生非常刺耳的電磁噪聲、系統(tǒng)的突然崩潰以及無法按照規(guī)定的要求工作等。長期以來人們沒有透過現(xiàn)象看到本質，只是認為這屬于系統(tǒng)的故障或外界隨機擾動。實際上，這是由于開關管等非線性器件導致的非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象。這些非線性現(xiàn)象是開關變換器中混沌現(xiàn)象的一種普遍的表現(xiàn)。 

2.1  混沌的定義及基本特性 
混沌至今還沒有一個統(tǒng)一的定義，這是因為混沌系統(tǒng)的奇異性和復雜性還沒有被大家徹底的了解和掌握。目前，已得到的定義也只是反映了混沌運動的特性。下面介紹幾種已有的混沌定義。 與現(xiàn)有已知的運動類型進行比較而定義的方法。在這里，混沌的定義是：混沌運動是一種不穩(wěn)定的有限定常運動，它的特點是雖然整體穩(wěn)定，但是，局部極不穩(wěn)定。這里所定義的有限定常運動，指的是運動狀態(tài)在某種意義上不隨時間的變化而變化。這個定義指出了混沌的兩個主要特征：不穩(wěn)定性和有限性，但是，這個定義描述的比較籠統(tǒng)，因為它僅僅反映了混沌運動是自然界中一種新的運動形態(tài)，并沒有很詳細的進行分析。 哈肯給混沌這樣定義：來源于確定性方程的無規(guī)則運動。這里最大的的困難是如何恰當?shù)囟x“無規(guī)則運動”這個概念，因為不同周期的運動迭加到某種程度也可以模擬無規(guī)則行為。所以就有迪托把混沌定義為非常多數(shù)目的不穩(wěn)定周期運動的疊加。 
..........

2.2  通向混沌的道路 
對于包括電力電子開關功率變換器在內的研究來說，通向混沌的道路主要有三條：倍周期分岔道路、陣發(fā)（間歇）道路、準周期分岔道路。下來對這三條道路進行介紹。倍周期分岔是被研究的第一條通往混沌狀態(tài)的道路。這條道路是由 Mandelbrot 和Myrberg 等一批科學家共同努力而發(fā)現(xiàn)的。它是指在一定的參數(shù) u 范圍內，當 u 不斷變化時，不動點逐漸躍變，不斷出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，這樣，周期點不斷增加。之后，nu 點的間隔越來越小，最后，在?u 處出現(xiàn)無窮多的周期點，這就是所謂的混沌狀態(tài)。這條道路具有普適性特點，其分岔結構隨著系統(tǒng)參數(shù)的變化將會出現(xiàn)一系列分岔點，一直到變成混沌狀態(tài)為止。 Feigenbaum 為了對倍周期分岔中復雜的標度性質進行簡潔的描述，引入了倍周期分岔中的普適常數(shù)和標度函數(shù)。它的基本特點是：不動點→兩周期點→四周期點→??無限倍周期凝聚→奇異吸引子。陣發(fā)混沌的產生機制與切分岔密切相關。切分岔和陣發(fā)混沌現(xiàn)象在電流模式控制的Buck、Boost 變換器中都可能產生。陣法混沌的出現(xiàn)使得系統(tǒng)的非線性動力學特性變得更加復雜。法國科學家 Pomeau 和 Manneville 在 1980 年提出：當系統(tǒng)中的許多參數(shù)變化到某一特定的數(shù)值時，該系統(tǒng)將會時而周期運動，時而發(fā)生混亂，直至通向混沌，這一現(xiàn)象被稱為 PM 類陣發(fā)道路。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，陣發(fā)混沌道路與倍周期分岔通向混沌道路是一對孿生兄弟。對于 DC-DC 功率變換器來說，當其參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)非周期并且隨機的“跳躍”運動，也就是陣發(fā)混沌運動。 
...........

第三章  Boost 變換器的理論基礎 ........... 13 
3.1 Boost 變換器的工作原理 .... 13
3.2  開關功率變換器的調制方式以及控制類型 ..... 19
3.3  本章小結 ..... 22 
第四章  DC-DC Boost 變換器常用的電流控制策略 ..... 23 
4.1  平均電流控制 ..... 23 
4.2  滯環(huán)電流控制 ..... 24 
4.3  峰值電流控制 ..... 25 
4.4  本章小結 ..... 26 
第五章  峰值電流型 DC-DC Boost 變換器斜坡補償分析 .... 27 
5.1  數(shù)學模型 ..... 27 
5.2  穩(wěn)定判據(jù)及穩(wěn)定條件 ......... 28
5.3  無斜坡補償分析 ......... 32 
5.4  固定斜坡補償分析 ..... 33 
5.5  仿真軟件簡介及仿真結果分析 ......... 34 
5.6  電路參數(shù)設計及實驗結果分析 ......... 37
5.7  本章小結 ..... 43 

第五章  峰值電流型 DC-DC Boost 變換器斜坡補償分析 

DC-DC  Boost 功率變換器由于采用了功率開關和乘法器等非線性器件，給系統(tǒng)帶來了很強的非線性，產生次諧波振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，會影響變換器的各種性能[61]。為了使變換器能夠正常工作，采取有效的次諧波抑制手段是很有必要的。工程上，通過在開關功率變換器的控制電路中引入適當?shù)男逼卵a償，可有效地拓寬系統(tǒng)的穩(wěn)定工作范圍，使處于次諧波振蕩狀態(tài)中的功率變換器進入穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制[62-64]。本章以峰值電流型 DC-DC Boost 功率變換器為研究對象，詳細分析了系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的產生原理以及固定斜坡補償控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后，對 DC-DC Boost 功率變換器進行相關的仿真分析和實驗驗證，并得出相應的結論。 

5.1  數(shù)學模型 

峰值電流型 DC-DC Boost 變換器的工作原理已經(jīng)介紹，下來介紹峰值電流型 DC-DC Boost 變換器的數(shù)學模型。其電路結構圖如圖 5-1 所示[71]。如圖 5-2(a)所示，當占空比 D 大于 0.5 時，后一個開關周期的電感電流擾動誤差比前一個開關周期的擾動誤差要大，即電感電流誤差信號是振蕩發(fā)散的，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。并且可以發(fā)現(xiàn)，振蕩周期為開關周期的 2 倍，所以振蕩頻率為開關頻率的 1/2，這就是次諧波振蕩的由來[65]。由此迭代下去，電感電流的擾動誤差量會越來越大，最后趨于無窮大，導致系統(tǒng)最終出現(xiàn)由不穩(wěn)定到崩潰的現(xiàn)象。 如圖 5-2(b)所示，當占空比 D 小于 0.5 時，電感電流的擾動誤差量總是小于上一個開關周期的，由此迭代下去，電感電流的擾動誤差量則會越來越小，最后趨于零。這種振蕩屬于穩(wěn)定的衰減振蕩，系統(tǒng)將慢慢處于穩(wěn)定狀態(tài)。對以上現(xiàn)象的描述，下面將從數(shù)學的角度進行推導分析。 

.............

總結

本設計以峰值電流型 DC-DC  Boost 功率變換器的次諧波振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象為研究對象，提出了穩(wěn)定性的控制策略。論文的研究工作和成果如下： 
（1）研究了峰值電流型 DC-DC  Boost 功率變變換器的不穩(wěn)定行為，針對次諧波振蕩等不穩(wěn)定行為，詳細分析了固定斜坡補償?shù)墓ぷ髟怼⒖刂铺攸c以及存在問題。完成了相關公式推導、建模仿真和實驗驗證工作。 
（2）為了解決固定斜坡補償存在的問題，本設計基于參數(shù)共振微擾原理，提出了一種動態(tài)優(yōu)化斜坡補償?shù)目刂品椒āＭㄟ^公式推導得出動態(tài)優(yōu)化斜坡補償下精確的參考電流表達式。在此基礎上，進行了相應的仿真實驗，驗證了該方法的可行性。最后，通過設計電路板、器件選型以及實驗操作驗證了該補償策略的正確性和有效性。 所取得的研究成果：動態(tài)優(yōu)化斜坡補償控制策略不僅可以有效地抑制系統(tǒng)的次諧波振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且解決了固定斜坡補償所存在的問題，保證了功率變換器的穩(wěn)定性以及瞬態(tài)響應性能。與此同時，動態(tài)優(yōu)化斜坡補償通過抬高參考電壓的值來提高電流的輸出能力，保證了輸入功率。 
.........
參考文獻(略)

本文編號：133325