軟開關(guān)變換電路離散映射建模方法及非線性行為研究.pdf

1、在電力電子功率變換電路中，通常采用兩種形式的開關(guān)模式，即硬開關(guān)變換模式與軟開關(guān)變換模式。硬開關(guān)模式通過(guò)突變的開關(guān)過(guò)程中斷功率流來(lái)完成能量的變換過(guò)程，而軟開關(guān)則通過(guò)利用功率流的自然過(guò)零時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的柔性變換過(guò)程。由于開關(guān)器件在零電壓或零電流的條件下完成其導(dǎo)通、關(guān)斷過(guò)程，開關(guān)器件的開關(guān)損耗理論上為零。而且，由于開關(guān)器件工作于零電壓或零電流開關(guān)條件下，使得變換電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲可以減小到最小限度。因此，軟開關(guān)功率變換電路在近十年來(lái)得到

2、了廣泛的應(yīng)用，已成為電力電子功率變換電路的主流和發(fā)展方向。然而，在軟開關(guān)變換電路的運(yùn)行中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則現(xiàn)象，例如臨界運(yùn)行狀態(tài)突變、不明電磁噪聲、系統(tǒng)運(yùn)行的頻率不穩(wěn)定以及無(wú)法按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作等。已有的研究表明，其中部分奇異或不規(guī)則現(xiàn)象是軟開關(guān)變換電路的固有非線性特性——分岔現(xiàn)象和混沌現(xiàn)象的一種外部表現(xiàn)，進(jìn)入混沌運(yùn)動(dòng)的不確定性將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法預(yù)測(cè)和控制，從而使開關(guān)變換電路的性能受到極大的影響，甚至完全無(wú)法工作。本文圍繞軟開

3、關(guān)變換電路的非線性建模及動(dòng)力學(xué)行為研究，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作： 1.系統(tǒng)分析了現(xiàn)有各種軟開關(guān)變換電路類型及其相應(yīng)的工作模式，歸納了軟開關(guān)電路系統(tǒng)特性，即高維、自治分段以及狀態(tài)變量的振蕩特性。這些特性使得軟開關(guān)電路系統(tǒng)呈現(xiàn)出完全不同于硬開關(guān)電路系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。 2.基于對(duì)軟開關(guān)電路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的理解，提出一種精細(xì)時(shí)域離散映射數(shù)值建模方法，解決了傳統(tǒng)離散映射方法不能直接應(yīng)用于軟開關(guān)電路的問(wèn)題。同時(shí)針對(duì)精細(xì)離散映射

4、模型在跨邊界映射時(shí)引入誤差，基于伽遼金方法，提出了一種離散映射的修正方案。最后以多諧振(MRC)軟開關(guān)電路作為算例進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果通過(guò)解析精確建模方法進(jìn)行了驗(yàn)證。 3.針對(duì)精細(xì)時(shí)域離散映射數(shù)值建模方法存在物理意義不清晰，數(shù)值計(jì)算工作量較大等不足，通過(guò)結(jié)合解析建模與邊界條件的數(shù)值求解，提出了一種廣義離散映射建模方法，該方法是一種半解析、半數(shù)值建模方法，不僅適用于軟開關(guān)電路系統(tǒng)，而且可以推廣到具有自治分段特性的一般振蕩系統(tǒng)。

5、此外，針對(duì)自治分段系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為研究，基于離散映射的不動(dòng)點(diǎn)理論，提出了該廣義離散映射模型的穩(wěn)定性判據(jù)。最后，通過(guò)在具體電路中的仿真分析及實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證了該建模方法及相應(yīng)的穩(wěn)定性判別方法。 4.基于這種廣義離散映射模型對(duì)負(fù)載諧振型全橋軟開關(guān)電路中所出現(xiàn)的頻率躍變現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并利用相應(yīng)的穩(wěn)定性判別方法對(duì)該躍變現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)果表明頻率躍變現(xiàn)象是在系統(tǒng)閉軌失去穩(wěn)定性后，狀態(tài)流轉(zhuǎn)向鄰域內(nèi)其它閉軌所產(chǎn)生的分岔現(xiàn)象?；陔娐纷杩?/p>

6、的分析結(jié)果表明，系統(tǒng)的電路阻抗隨著負(fù)載變化出現(xiàn)多零相位角頻率是造成該現(xiàn)象的主要成因。最后，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果驗(yàn)證了該頻率躍變現(xiàn)象的存在。 5.針對(duì)負(fù)載諧振軟開關(guān)電路系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的波形畸變現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)比了在兩種激勵(lì)方式下系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，并利用廣義離散映射方法分別為其進(jìn)行了建模。在仿真中，觀察到隨著系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的降低而出現(xiàn)斷續(xù)分岔現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析結(jié)果表明，該分岔現(xiàn)象歸因于系統(tǒng)在臨界值附近出現(xiàn)的多極限環(huán)現(xiàn)象。最后，通

7、過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果驗(yàn)證了這一分岔現(xiàn)象。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性貢獻(xiàn) 1.針對(duì)軟開關(guān)電路系統(tǒng)的自治分段振蕩特性，提出一種精細(xì)時(shí)域離散映射建模方法及其相應(yīng)的修正方案，解決了傳統(tǒng)離散映射方法不能應(yīng)用于軟開關(guān)電路系統(tǒng)建模的問(wèn)題。 2.針對(duì)精細(xì)時(shí)域離散映射模型物理意義不直觀，數(shù)值計(jì)算工作量大等不足，提出一種廣義離散映射建模方法，并將該方法推廣于一般具有自治分段特性的振蕩系統(tǒng)。 3.基于廣義離散映射模型，就負(fù)載諧振型全橋軟開