电路参数宽范围变化时电流控制开关变换器的动力学研究

包伯成; 杨平; 马正华; 张希

doi:10.7498/aps.61.220502

摘要

以电流控制Buck-Boost变换器为例, 通过对输入电压和负载电阻等电路参数宽范围变化时开关变换器的开关状态的完整描述, 导出了电流控制开关变换器的两个电感电流边界, 建立了它的精确离散时间模型, 并利用分段线性模型验证了离散时间模型的正确性. 基于离散时间模型, 揭示了开关变换器存在周期分岔、边界碰撞分岔、鲁棒混沌和阵发混沌等复杂动力学行为;通过推演Jacobi矩阵, 给出了电路参数变化时最大Lyapunov指数和特征值的运动轨迹;并采用参数空间映射图, 由电路参数域对开关变换器的工作状态域进行了估计. 最后进行了电路实验制作, 实验观察结果与理论分析结果一致. 本文系统研究了开关变换器的动力学理论, 其分析方法和研究结果对开关变换器的设计及控制都具有重要的指导意义.

关键词:

Abstract

With current-controlled buck-boost converter used as an example, through a detailed description of the switch state of the switching converter under wide circuit parameter variation, such as input voltage and load resistance variation, two inductor current borders in the current controlled switching converter are derived and an accurate discrete-time model is established. The validation of the discrete-time model is verified by a piecewise-linear model. Based on the discrete-time model, the complex dynamical behaviors existing in switching converter, such as period-double bifurcation, border-collision bifurcation, robust chaos and intermittent chaos, etc., are revealed. By formulating the Jacobian, the maximum Lyapunov exponent and the movement trajectories of eigvalues with the variations of circuit parameters are obtained. By utilizing the parameter-space maps, the operation-state regions corresponding to circuit parameter regions are estimated. Finally, an experimental setup is implemented, the corresponding observation results are consistent with those of theory analyses. In this paper the dynamics theory in switching converters is investigated systematically; the analysis methods and research results are helpful for designing and controlling switching converters.

Keywords:

作者及机构信息

1.
常州大学信息科学与工程学院, 常州 213164;

2.
西南交通大学电气工程学院, 成都 610031

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51177140)、江苏省常州市自然科学基金 (批准号: CJ20120004)和浙江省教育厅科研项目(批准号: Y201225848) 资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Information Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China;

2.
School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51177140), the Natural Science Foundation of Changzhou, Jiangsu Province, China (Grant No. CJ20120004), and the Scientific Research Foundation of Zhejiang Provincial Education Department, China (Grant No. Y201225848).

参考文献

[1]	Deane J H B, Hamill D C 1990 IEEE Trans. Power Electron. 5 260
[2]	Liu F 2010 Chin. Phys. B 19 080511
[3]	Wang J P, Xu J P, Xu Y J 2011 Acta Phys. Sin. 60 058401 (in Chinese) [王金平, 许建平, 徐杨军 2011 物理学报 60 058401]
[4]	Zhou G H, Xu J P, Bao B C, Jin Y Y 2010 Chin. Phys. B 19 060508
[5]	Wang F Q, Ma X K, Yan Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 060510 (in Chinese) [王发强, 马西奎, 闫晔 2011 物理学报 60 060510]
[6]	Basak B, Parui S 2010 IEEE Trans. Power Electron. 25 1556
[7]	Tse C K, Bernardo M D 2002 Proc. IEEE 90 768
[8]	Giral R, El Aroudi A, Martinez-Salamero L, Leyva R, Maixe J 2001 Electron. Lett. 37 274
[9]	El Aroudi A, Rodriguez E, Leyva R, Alarcon E 2010 IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs 57 218
[10]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2008 J. Univ. of Electronic Science and Technology of China 37 397 (in Chinese) [包伯成, 许建平, 刘中2008 电子科技大学学报 37 397]
[11]	Dai D, Ma X K, Li X F 2003 Acta Phys. Sin. 52 2729 (in Chinese) [戴栋, 马西奎, 李小峰 2003 物理学报 52 2729]
[12]	Banerjee S, Parui S, Gupta A 2004 IEEE Trans. Circuits and Systems-II 51 649
[13]	Parui S, Banerjee S 2003 IEEE Trans. Circuits and Systems -I 50 1464
[14]	Saito T, Kabe T, Ishikawa Y, Matsuoka Y, Torikai H 2007 Int. J. Bifur. Chaos 17 3373
[15]	Bao B C, Zhou G H, Xu J P, Liu Z 2011 IEEE Trans. Power Electron. 26 1968
[16]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2009 Chin. Phys. B 18 4742
[17]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2009 Acta Phys. Sin. 58 2949 (in Chinese) [包伯成, 许建平, 刘中 2009 物理学报 58 2949]
[18]	Xie F, Yang R, Zhang B 2010 Acta Phys. Sin. 59 8393 (in Chinese) [谢帆, 杨汝, 张波 2010 物理学报 59 8393]
[19]	Elaydi S N 2008 Discrete Chaos With Applications in Science and Engineering (Chapman & Hall/CRC)
[20]	Chen Y F, Tse C K, Qiu S S, Lindenmüller L, Schwarz W 2008 IEEE Trans. Circuits Syst. -I 55 3335

施引文献

[1]	Deane J H B, Hamill D C 1990 IEEE Trans. Power Electron. 5 260
[2]	Liu F 2010 Chin. Phys. B 19 080511
[3]	Wang J P, Xu J P, Xu Y J 2011 Acta Phys. Sin. 60 058401 (in Chinese) [王金平, 许建平, 徐杨军 2011 物理学报 60 058401]
[4]	Zhou G H, Xu J P, Bao B C, Jin Y Y 2010 Chin. Phys. B 19 060508
[5]	Wang F Q, Ma X K, Yan Y 2011 Acta Phys. Sin. 60 060510 (in Chinese) [王发强, 马西奎, 闫晔 2011 物理学报 60 060510]
[6]	Basak B, Parui S 2010 IEEE Trans. Power Electron. 25 1556
[7]	Tse C K, Bernardo M D 2002 Proc. IEEE 90 768
[8]	Giral R, El Aroudi A, Martinez-Salamero L, Leyva R, Maixe J 2001 Electron. Lett. 37 274
[9]	El Aroudi A, Rodriguez E, Leyva R, Alarcon E 2010 IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs 57 218
[10]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2008 J. Univ. of Electronic Science and Technology of China 37 397 (in Chinese) [包伯成, 许建平, 刘中2008 电子科技大学学报 37 397]
[11]	Dai D, Ma X K, Li X F 2003 Acta Phys. Sin. 52 2729 (in Chinese) [戴栋, 马西奎, 李小峰 2003 物理学报 52 2729]
[12]	Banerjee S, Parui S, Gupta A 2004 IEEE Trans. Circuits and Systems-II 51 649
[13]	Parui S, Banerjee S 2003 IEEE Trans. Circuits and Systems -I 50 1464
[14]	Saito T, Kabe T, Ishikawa Y, Matsuoka Y, Torikai H 2007 Int. J. Bifur. Chaos 17 3373
[15]	Bao B C, Zhou G H, Xu J P, Liu Z 2011 IEEE Trans. Power Electron. 26 1968
[16]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2009 Chin. Phys. B 18 4742
[17]	Bao B C, Xu J P, Liu Z 2009 Acta Phys. Sin. 58 2949 (in Chinese) [包伯成, 许建平, 刘中 2009 物理学报 58 2949]
[18]	Xie F, Yang R, Zhang B 2010 Acta Phys. Sin. 59 8393 (in Chinese) [谢帆, 杨汝, 张波 2010 物理学报 59 8393]
[19]	Elaydi S N 2008 Discrete Chaos With Applications in Science and Engineering (Chapman & Hall/CRC)
[20]	Chen Y F, Tse C K, Qiu S S, Lindenmüller L, Schwarz W 2008 IEEE Trans. Circuits Syst. -I 55 3335

[1]	杨科利. 一类可变禁区的不连续系统的加周期分岔. 物理学报, 2015, 64(12): 120502. doi: 10.7498/aps.64.120502
[2]	史国栋, 张海明, 包伯成, 冯霏, 董伟. 脉冲序列控制双断续导电模式BIFRED变换器的动力学建模与多周期行为. 物理学报, 2015, 64(1): 010501. doi: 10.7498/aps.64.010501
[3]	李振华, 周国华, 刘啸天, 冷敏瑞. 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. 物理学报, 2015, 64(18): 180501. doi: 10.7498/aps.64.180501
[4]	刘啸天, 周国华, 李振华, 陈兴. 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. 物理学报, 2015, 64(22): 228401. doi: 10.7498/aps.64.228401
[5]	徐红梅, 金永镐, 金璟璇. 基于符号动力学的开关变换器时间不可逆性分析. 物理学报, 2014, 63(13): 130502. doi: 10.7498/aps.63.130502
[6]	吴松荣, 周国华, 王金平, 许建平, 何圣仲. 多频率控制开关变换器的自相似和混频现象分析. 物理学报, 2014, 63(2): 028401. doi: 10.7498/aps.63.028401
[7]	沙金, 许建平, 刘姝晗, 钟曙. 谷值电流型脉冲序列控制开关变换器及其能量建模研究. 物理学报, 2014, 63(9): 098401. doi: 10.7498/aps.63.098401
[8]	何圣仲, 周国华, 许建平, 吴松荣, 陈利. 输出电容时间常数对V2控制Buck变换器的动力学特性的影响. 物理学报, 2014, 63(13): 130501. doi: 10.7498/aps.63.130501
[9]	钟曙, 沙金, 许建平, 许丽君, 周国华. 脉冲跨周期调制连续导电模式Buck变换器低频波动现象研究. 物理学报, 2014, 63(19): 198401. doi: 10.7498/aps.63.198401
[10]	杨平, 许建平, 何圣仲, 包伯成. 电流控制二次型Boost变换器的动力学研究. 物理学报, 2013, 62(16): 160501. doi: 10.7498/aps.62.160501
[11]	吴松荣, 何圣仲, 许建平, 周国华, 王金平. 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. 物理学报, 2013, 62(21): 218403. doi: 10.7498/aps.62.218403
[12]	秦明, 许建平, 高玉, 王金平. 基于电流基准的开关变换器脉冲序列控制方法. 物理学报, 2012, 61(3): 030204. doi: 10.7498/aps.61.030204
[13]	沙金, 包伯成, 许建平, 高玉. 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. 物理学报, 2012, 61(12): 120501. doi: 10.7498/aps.61.120501
[14]	周国华, 许建平, 包伯成. 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. 物理学报, 2010, 59(4): 2272-2280. doi: 10.7498/aps.59.2272
[15]	包伯成, 周国华, 许建平, 刘中. 斜坡补偿电流模式控制开关变换器的动力学建模与分析. 物理学报, 2010, 59(6): 3769-3777. doi: 10.7498/aps.59.3769
[16]	秦明, 许建平. 开关变换器多级脉冲序列控制研究. 物理学报, 2009, 58(11): 7603-7612. doi: 10.7498/aps.58.7603
[17]	杨谈, 金跃辉, 程时端. TCP-RED离散反馈系统中的边界碰撞分岔及混沌控制. 物理学报, 2009, 58(8): 5224-5237. doi: 10.7498/aps.58.5224
[18]	杨汝, 张波, 褚利丽. 开关变换器倍周期分岔精细层次结构及其普适常数研究. 物理学报, 2008, 57(5): 2770-2778. doi: 10.7498/aps.57.2770
[19]	杨汝, 张波, 丘东元. 开关变换器离散子系统混沌点过程描述及EMI抑制. 物理学报, 2008, 57(3): 1389-1397. doi: 10.7498/aps.57.1389
[20]	戴栋, 马西奎, 李小峰. 一类具有两个边界的分段光滑系统中边界碰撞分岔现象及混沌. 物理学报, 2003, 52(11): 2729-2736. doi: 10.7498/aps.52.2729

计量

文章访问数: 7686
PDF下载量: 613
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板