發(fā)布時間：2016-10-08 07:08

第一章  緒論 

1.1  研究背景 
近年來，開關(guān)電源因其具有體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，得到了飛速的發(fā)展，在電源技術(shù)方面已經(jīng)占有相當(dāng)重要的位置[1]。開關(guān)電源技術(shù)在交通、航空航天、電力系統(tǒng)、工業(yè)等領(lǐng)域也有了廣泛的應(yīng)用。 開關(guān)功率變換器是開關(guān)電源的核心，它在實(shí)際運(yùn)行的時候，往往會出現(xiàn)一些不可預(yù)知的現(xiàn)象，比如，控制系統(tǒng)的次諧波振蕩、變換器產(chǎn)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(guān)功率變換器的研究、設(shè)計(jì)以及開發(fā)，大大限制了開關(guān)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(jié)為系統(tǒng)的故障或外界隨機(jī)擾動所致，并沒有很好地透過現(xiàn)象看到它的本質(zhì)。 而實(shí)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(guān)管以及儲能元件等非線性器件所導(dǎo)致的[2-4]。這些非線性行為給功率變換器的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了特別大的困擾，為此，國內(nèi)外的學(xué)者對開關(guān)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(jìn)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(guān)電源設(shè)備中存在著相當(dāng)豐富的非線性現(xiàn)象[5-13]。目前，開關(guān)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(xué)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(guān)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(yīng)快、增益帶寬大、能夠快速限流過流保護(hù)以及輸出電感小等優(yōu)點(diǎn)。但是它的不足之處是，當(dāng)占空比大于 50%時，系統(tǒng)容易產(chǎn)生次諧波振蕩等非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象，當(dāng)占空比小于 50%時，系統(tǒng)則穩(wěn)定運(yùn)行[14-16]。有研究表明，采取平均電流法控制時，開關(guān)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(biāo)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(diǎn)，為此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要給其添加一定的外界擾動作為補(bǔ)償。目前為止，各種擾動補(bǔ)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(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中的電路太過復(fù)雜，所以不方便在工程上得到應(yīng)用與推廣。所以，進(jìn)一步研究開關(guān)功率變換器使之在工程中得到應(yīng)用和推廣，不僅具有十分好的理論價值，并且也符合實(shí)際工程中的要求，也具有很好的工程價值。
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1.2  研究目的和意義 
按控制模式劃分的方法，開關(guān)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(yīng)快、容易實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[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(diǎn)是瞬態(tài)響應(yīng)性能好。所以，系統(tǒng)在要求瞬態(tài)響應(yīng)性能的設(shè)計(jì)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(jìn)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(bǔ)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(yīng)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(diǎn)和熱點(diǎn)。 對于 DC-DC Boost 功率變換器，很多學(xué)者只對次諧波振蕩、分岔、混沌等不穩(wěn)定現(xiàn)象的控制進(jìn)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(yīng)性能和穩(wěn)定性能進(jìn)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(kuò)展到實(shí)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(dá)到在輸入直流電壓跳變的時候，每個開關(guān)周期的穩(wěn)定和快速瞬態(tài)響應(yīng)的效果。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸入直流電壓跳變時，為保證功率變換器能保持每個開關(guān)周期的穩(wěn)定和快速的瞬態(tài)響應(yīng)效果，提出了一種動態(tài)優(yōu)化的斜坡補(bǔ)償設(shè)計(jì)思路及精確的參考電流補(bǔ)償模型。通過研究，可以得出一種動態(tài)優(yōu)化斜坡補(bǔ)償電路，通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)定性和單周期的快速響應(yīng)能力。采用動態(tài)優(yōu)化斜坡補(bǔ)償?shù)?DC-DC Boost 功率變換器進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)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。 
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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(lǐng)域中，而在電力電子研究領(lǐng)域，它有其獨(dú)特的特點(diǎn)。開關(guān)功率變換器在運(yùn)行的時候，常常會出現(xiàn)一些不可預(yù)知的現(xiàn)象，比如，控制系統(tǒng)的次諧波振蕩、變換器產(chǎn)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(zhì)，只是認(rèn)為這屬于系統(tǒng)的故障或外界隨機(jī)擾動。實(shí)際上，這是由于開關(guān)管等非線性器件導(dǎo)致的非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象。這些非線性現(xiàn)象是開關(guān)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?yàn)榛煦缦到y(tǒng)的奇異性和復(fù)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(yùn)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(yùn)動類型進(jìn)行比較而定義的方法。在這里，混沌的定義是：混沌運(yùn)動是一種不穩(wěn)定的有限定常運(yùn)動，它的特點(diǎn)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(yùn)動，指的是運(yùn)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?yàn)樗鼉H僅反映了混沌運(yùn)動是自然界中一種新的運(yùn)動形態(tài)，并沒有很詳細(xì)的進(jìn)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(yùn)動。這里最大的的困難是如何恰當(dāng)?shù)囟x“無規(guī)則運(yùn)動”這個概念，因?yàn)椴煌芷诘倪\(yùn)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(yùn)動的疊加。 
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2.2  通向混沌的道路 
對于包括電力電子開關(guān)功率變換器在內(nèi)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(zhǔn)周期分岔道路。下來對這三條道路進(jìn)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(xué)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(nèi)，當(dāng) u 不斷變化時，不動點(diǎn)逐漸躍變，不斷出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，這樣，周期點(diǎn)不斷增加。之后，nu 點(diǎn)的間隔越來越小，最后，在?u 處出現(xiàn)無窮多的周期點(diǎn)，這就是所謂的混沌狀態(tài)。這條道路具有普適性特點(diǎn)，其分岔結(jié)構(gòu)隨著系統(tǒng)參數(shù)的變化將會出現(xiàn)一系列分岔點(diǎn)，一直到變成混沌狀態(tài)為止。 Feigenbaum 為了對倍周期分岔中復(fù)雜的標(biāo)度性質(zhì)進(jìn)行簡潔的描述，引入了倍周期分岔中的普適常數(shù)和標(biāo)度函數(shù)。它的基本特點(diǎn)是：不動點(diǎn)→兩周期點(diǎn)→四周期點(diǎn)→??無限倍周期凝聚→奇異吸引子。陣發(fā)混沌的產(chǎn)生機(jī)制與切分岔密切相關(guān)。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(chǎn)生。陣法混沌的出現(xiàn)使得系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性變得更加復(fù)雜。法國科學(xué)家 Pomeau 和 Manneville 在 1980 年提出：當(dāng)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(yùn)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(dāng)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(jī)的“跳躍”運(yùn)動，也就是陣發(fā)混沌運(yùn)動。 
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第三章  Boost 變換器的理論基礎(chǔ) ........... 13 
3.1 Boost 變換器的工作原理 .... 13
3.2  開關(guān)功率變換器的調(diào)制方式以及控制類型 ..... 19
3.3  本章小結(jié) ..... 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(jié) ..... 26 
第五章  峰值電流型 DC-DC Boost 變換器斜坡補(bǔ)償分析 .... 27 
5.1  數(shù)學(xué)模型 ..... 27 
5.2  穩(wěn)定判據(jù)及穩(wěn)定條件 ......... 28
5.3  無斜坡補(bǔ)償分析 ......... 32 
5.4  固定斜坡補(bǔ)償分析 ..... 33 
5.5  仿真軟件簡介及仿真結(jié)果分析 ......... 34 
5.6  電路參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ......... 37
5.7  本章小結(jié) ..... 43 

第五章  峰值電流型 DC-DC Boost 變換器斜坡補(bǔ)償分析 

DC-DC  Boost 功率變換器由于采用了功率開關(guān)和乘法器等非線性器件，給系統(tǒng)帶來了很強(qiáng)的非線性，產(chǎn)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(guān)功率變換器的控制電路中引入適當(dāng)?shù)男逼卵a(bǔ)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(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)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(xì)分析了系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生原理以及固定斜坡補(bǔ)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(jìn)行相關(guān)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并得出相應(yīng)的結(jié)論。 

5.1  數(shù)學(xué)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(xué)模型。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖 5-1 所示[71]。如圖 5-2(a)所示，當(dāng)占空比 D 大于 0.5 時，后一個開關(guān)周期的電感電流擾動誤差比前一個開關(guān)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(guān)周期的 2 倍，所以振蕩頻率為開關(guān)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(dǎo)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(dāng)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(guān)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(xué)的角度進(jìn)行推導(dǎo)分析。 

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總結(jié)

本設(shè)計(jì)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(xì)分析了固定斜坡補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟�、控制特點(diǎn)以及存在問題。完成了相關(guān)公式推導(dǎo)、建模仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。 
（2）為了解決固定斜坡補(bǔ)償存在的問題，本設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)目刂品椒�。通過公式推導(dǎo)得出動態(tài)優(yōu)化斜坡補(bǔ)償下精確的參考電流表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。最后，通過設(shè)計(jì)電路板、器件選型以及實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證了該補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(yīng)性能。與此同時，動態(tài)優(yōu)化斜坡補(bǔ)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。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：133325