高階開關功率變換器中的非線性動力學行為及其控制研究.pdf

1、非線性科學作為一門研究非線性現(xiàn)象共性的交叉學科、綜合學科，不斷地揭
　　 示著世界的非線性本質(zhì)，不斷地推動著人們用之改造世界的進程。各個學科領域
　　 都存在非線性問題，電力電子技術領域也不例外。開關功率變換器是電力電子電
　　 路與系統(tǒng)的重要組成部分，屬于一類分段切換系統(tǒng)，具有強非線性和時變特性，
　　 能表現(xiàn)出豐富的非線性動力學行為。因此，運用非線性科學的理論與方法對開關
　　 功率變換器進行

2、研究，有利于揭示其非線性本質(zhì)；有利于指導電力電子技術領域
　　 的工程實踐，優(yōu)化變換器的穩(wěn)定性、可靠性設計；有利于奠定電力電子學的理論
　　 基礎，豐富非線性科學的內(nèi)容與方法。
　　 自上世紀八九十年代開關功率變換器中的非線性現(xiàn)象被首次報道以來，國內(nèi)
　　 外研究者從仿真、理論、實驗等多維度，對開關功率變換器中的非線性動力學行
　　 為及其控制與應用展開了較為廣泛的研究，形成了電力電子學非線性研究

3、的重要
　　 分支。但已有研究多集中于低階開關功率變換器，而鮮有對高階開關功率變換器
　　 的非線性研究?；诖耍疚囊愿唠A開關功率變換器為研究對象，基于非線性動
　　 力學的分岔與混沌理論，對其非線性建模、非線性動力學行為的描述與分析、非
　　 線性動力學行為的控制與應用等展開研究，旨在揭示高階開關功率變換器的非線
　　 性本質(zhì)，指導高階開關功率變換器的設計與應用。具體工作包括：
　　

4、(1) 開關功率變換器非線性研究述評與非線性動力學基礎。第1章分析了
　　 開關功率變換器非線性研究的意義，從變換器的非線性建模、動力學行為及其分
　　 析、動力學行為的控制與應用等三個方面，綜述了相關研究概況。并基于此，提
　　 出了本文的研究價值與內(nèi)容。第2 章介紹了非線性動力學基礎，主要包括分岔與
　　 混沌理論，總結(jié)了非線性動力學的研究方法，并給出了常用數(shù)值研究方法及其在
　　 開關功率變

5、換器非線性研究中的應用與實現(xiàn)。
　　 (2) 高階開關功率變換器的非線性建模。建模是進行變換器非線性研究的前
　　 提，廣泛使用的建模方法有狀態(tài)空間平均法和離散時間映射法。本文第3 章針對
　　 高階開關功率變換器的復雜性，提出了一種綜合運用這兩種方法的建模方法，并
　　 將之應用于電流模式控制Cuk 變換器的建模與穩(wěn)定性分析，建立了變換器閉式
　　 迭代映射模型，得到了變換器穩(wěn)定性判據(jù)的解析表達

6、式，分析了電路參數(shù)對變換
　　 器穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果驗證了此建模方法的有效性。
　　 (3) 高階開關功率變換器中的非線性動力學行為及其分析。混沌現(xiàn)象可以發(fā)
　　 生在二階及其以上非自治開關功率變換器（一階斷續(xù)電流模式非自治變換器亦
　　 可）、三階及其以上自治開關功率變換器中。因此，四階開關功率變換器在一定
　　 的參數(shù)范圍內(nèi)定會發(fā)生分岔、混沌等非線性動力學行為。本文第4 章對耦合有干

7、>　　 擾信號的峰值電流模式SEPIC 變換器中的間歇分諧波與間歇混沌現(xiàn)象進行了研
　　 究，通過數(shù)值仿真和電路仿真展示了間歇現(xiàn)象，并采用時間分岔到參數(shù)分岔的策
　　 略，基于離散時間映射模型、雅克比矩陣特征值分析法進行了相應的理論分析。
　　 仿真結(jié)果與理論分析一致表明干擾信號的強度和頻率決定著間歇的類型與周期。
　　 此外，提出了基于變換器間歇現(xiàn)象的微弱周期信號檢測方法。第5 章對自治高階
　

8、　 開關功率變換器（滑?？刂芐EPIC 變換器）的穩(wěn)定性與復雜動力學行為進行了
　　 研究，基于滑模變結(jié)構(gòu)理論，為SEPIC 變換器進行了滑模控制設計，得到了變
　　 換器的等效平均模型，分析了平衡點的穩(wěn)定性。通過對雅克比矩陣及其特征值的
　　 分析，判定變換器隨著參考電流的增大發(fā)生了超臨界Hopf分岔，并得到不同電
　　 路參數(shù)下變換器的穩(wěn)定邊界曲面。數(shù)值仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性，并展
　

9、　 示了滑模SEPIC 變換器經(jīng)由Hopf分岔、單極限環(huán)、雙極限環(huán)、準周期而進入混
　　 沌狀態(tài)的演化過程。
　　 (4) 高階開關功率變換器中非線性動力學行為的控制研究。對開關功率變換
　　 器中非線性動力學行為進行控制研究，是變換器非線性研究應用于工程實踐的必
　　 然要求。傳統(tǒng)的控制方法和一些特定的混沌控制方法，一般都可以應用于變換器
　　 的分岔與混沌控制，但目前關于高階變換器的混沌控制

10、研究很少。因此，本文第
　　 6 章對高階變換器的分岔與混沌控制進行了探討。以峰值電流模式SEPIC 變換器
　　 為例，采用時間延遲反饋控制法，對非自治高階變換器系統(tǒng)中的混沌進行了有效
　　 的控制，給出了延遲反饋增益的取值范圍；以滑?？刂芐EPIC 變換器為例，采
　　 用外加周期信號的非反饋控制方法，對自治高階開關功率變換器系統(tǒng)中的混沌進
　　 行了有效控制。此外，采用變量線性反饋控制方法，