DCDC开关变换器混沌现象研究综述

DCDC开关变换器混沌现象研究综述
摘要：DC/DC功率开关变换器是开关电源的核心部分，通过对其混沌现象的研究可以更加深刻地认识DC/DC变换器的本质，也会在将来基于混沌现象提出新的设计方法和控制策略，实现现有DC/DC变换器无法达到的性能。

本文介绍了DC/DC变换器混沌现象的研究现状，对DC/DC变换器混沌现象的基本建模方法进行了综合对比分析，展望了DC/DC变换器混沌研究的发展和未来应用前景。

关键词：DC/DC变换器；混沌；非线性
Keyword:DC-DCconverter；chao；nonlinear
0引言
近年来，开关电源在许多领域例如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备和家用设备等方面得到了广泛的应用，电源是各电子设备的核心，电源系统出故障就会使整个电子设备不能正常工作，因此，电源系统质量的优劣和可靠性的高低直接决定着整个电子设备的质量。

DC/DC开关变换器作为开关电源的核心技术，在实际运行中出现诸如运行状态突然崩溃、系统不能按设计要求运行、系统运行不稳定等不规则和奇异的现象是常有的事。

DC/DC开关变换器的非线性是固有的，在运行中出现非常多非线性现象也不足为奇[1]-[3]，上述不规则和奇异现象是DC/DC开关变换器中混沌现象普遍存在的。

一旦DC/DC开关变换器在混沌区域运行，预测不了系统运行状态的原因就是混沌的不确定性，这对DC/DC开关变换器的控制性能造成的影响非常大，甚至会让它完全停止运行。

因此，我们不能只在稳
定运行区域内研究DC/DC开关变换器，应该在非线性系统混沌现象理论的指导下，研究其运行规律。

1DC/DC开关变换器混沌现象研究现状
目前，还没给混沌一个统一的定义，但混沌却有被人们普遍接受的基本特征：对初值的极端敏感性、存在不稳定周期轨道的稠密集、具有正的Lyapunov指数，功率谱连续、具有遍历性，普适性等。

早在20世纪80年代末，就有了关于DC/DC开关变换器的混沌现象的研究，而近些年来，这一领域的研究渐渐成为了国际上电力电子技术专家们研究的热门课题。

1990年Krein和Ba提出对功率电子电路中的非线性现象进行研究是非常重要的[4]。

他们对有界、跳跃以及混沌现象进行了实验观察，指出了非线性系统的有界特性，同时也说明了DC/DC变换器工作于混沌状态并不意味着就是不可靠，虽然早期对此并没有给出严密的理论分析，但却使从事功率电子学工作的专家想起了曾遇到过的一些奇异现象原来在科学上是可以解释的，对这些奇异现象的研究将会对电路的设计有很大益处。

随后，Hamill等人在1990年的IEEE功率电子学专家学术会议上宣布了一篇关于Buck开关调节器的混沌现象研究论文，并在IEEE 功率电子学汇刊上发表[5]。

这篇文章描述的是推导一种简单Buck开关调节器工作在连续导电模式（CCM）下的隐式迭代映射方法，通过对该隐式迭代映射法进行数字实验并演示了倍周期分岔、子谐波以及混沌的存在，并通过仿真和实验证实了其真实性。

1991年，经Hamill等人的研究，发现了Boot变换器工作在电流控制模式下的闭环迭代映射方法[6]。

自此以后，许多电力电子技术专家都开始探索分岔图案和混沌吸引子的辨识。

1997年，Chan和Te在文章中指
出在间断导电模式（DCM）下的DC/DC变换器条件具备的情况下出现倍周
期分叉现象也是有可能的[7]。

在了解了一些DC/DC变换器中的混沌现象之后，一些专家学者就对混
沌现象的控制展开研究。

1998年，Poddar等人提出了控制PWM型Buck开
关变换器中存在的混沌现象的新方法——利用参数扰动的方法。

近些年来，专家学者在混沌控制的现象观察，仿真证实等方面做出了新的贡献，提出
了一些创新点，这些都有利于研究如何对DC/DC变换器混沌现象进行控制。

2DC/DC变换器的混沌建模方法
DC/DC开关变换器是一种典型的时变非线性开关电路，所以这种系统
也具有复杂的现象：若不能稳定工作，当有些参数改发生变化时，就可能
出现分叉、混沌等工作状态。

所以其混沌建模一直是一个困难的问题，现
有的建模方法分为两类，即纯数值仿真方法和近似离散模型分析法。

上述两种方法各有特点，其中纯数值仿真法虽能发现DC/DC的混沌现象，但比较难解释其发生的机理。

现在大部分的功率电子学中的电路都是
非自治系统且由周期固定的时钟脉冲驱动，因此离散映射法在其研究中的
应用是很合理的[8]-[10]，这种方法的优势主要表现在：使运算量少了，
能对DC-DC变换器在稳定工作状态、分叉、混沌等各种线性、非线性现象
进行正确分析。

离散时间映射有异步切换映射（A-witchingmap）、同步
切换映射（S-witchingmap）、频闪映射（Strobocopicmap）、成对切换
映射（Two-by-twomap）。

3DC/DC变换器混沌发展方向及未来应用
3.1混沌控制混沌的控制主要有两大类：无反馈控制法和反馈控制法。

其中应用最广的是反馈控制法。

至今，已经诞生了更多的混沌控制方法，
如：参数自调节控制方法，神经网络控制方法等等。

DC/DC变换器混沌控
制是一个新的概念和尝试，已引起了非常广泛的注意和兴趣，但是DC/DC
变换器的反混沌控制研究却还处于起步阶段，我们期待更多的学者研究出
更多更有效的控制方法。

3.2利用混沌功率谱特性提高电磁兼容性关于电磁兼容性（EMC）包
含以下两点内容：电源能抑制其他设备对其造成的电磁干扰；电源不对其
他设备造成电磁干扰。

传统的实现电源EMC技术方法如：降低du/dt或
di/dt，采用压敏电阻来吸收浪涌电压，阻尼网络抑制尖峰电压，用软恢
复特性二极管抑制高频噪声，有源功率因数和谐波校正等。

周期或拟周期震荡信号的频谱是离散谱，而混沌周期振荡输出信号则
是一定频率范围内的连续谱，所以当电磁传输功率一样时，非线性混沌系
统的频谱平均分配在较宽的范围内，可以利用混沌这种固有的均匀分布频
谱功能来提高DC/DC开关变换器的电磁兼容能力（EMC）。

利用混沌功率
谱特性提高EMC的优点在于不用添加外加设备，节约成本，符合电源日益
往小型化发展的趋势。

3.3利用混沌同步特性进行均流控制随着微电子技术的迅猛发展，超
大规模集成电路的不断涌现，电子设备电源的模块化、智能化已是当今电
源技术发展的主流趋势，但是这样使得DC/DC变换器的并联均流对变换器
的容量、可靠性等影响比较大。

研究表明，利用混沌的同步特性来实现
DC/DC变换器的并联均流成为了一个新的研究课题。

3.4利用混沌初值敏感性提高动态特性混沌运动对初始值的极端敏感性，表现为从任意靠近两个初始值出发的轨道在一定的时间区域内将会以
指数形式分离，我们不需要改变系统的整体结构就能实现混沌系统的控制，这是其他非线性混沌系统所不能做到的。

3.5利用混沌遍历性进行参数的优化和辨识混沌运动在其混沌吸引域
内是各态历经的，即在有限时间内混沌轨道经过混沌区内每一个状态点，
所以可以利用混沌运动在一定的范围内按照自身“规律”能够不重复地遍
历所有状态这一特点，把混沌变量的遍历范围最终调整为被优化变量的取
值范围，之后再利用混沌变量搜索最优值，这样的效果肯定会优于传统上
采用的随机搜索方法，根据上述特点，可以将运用混沌的遍历性运用在电
力电子变换器的参数辨识和优化设计中。

已有文献表明这种优化方法在模
糊电力系统稳定器的最优设计以及静态负荷模型参数辨识中得到应用并取
得了成功。

4结语
随着社会的发展，电源技术也在不断发展：我们运用各种技术方法扩
展电源的功率范围、提高电源的电气性能、节能效果、工作可靠性、电源
小型化和集成化的程度、积极研发工作在高温、高海拔、高潮湿、高盐雾、抗辐射等特殊自然环境和冶金、焊接、电镀、热处理等特殊工作环境下的
特种电源。

我们对其核心，DC/DC变换器混沌现象的研究还只是一个开始，许多问题尚待解决。

但随着越来越多学者的进一步深人研究，DC/DC变换
器的本质一定会被认识得更加深刻，DC/DC变换器的应用也会在此基础上
进一步提高，而由此带来的DC/DC变换器设计技术和应用技术的革命与创新，或许会对邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备和家
用设备等在工业上受益。