峰值电流Buck变换器非线性现象分析与斜坡补偿控制设计

摘要

随着消费类电子产业的迅猛发展以及便携式产品需求量的不断增长，DC-DC变换器在各类电子产品中得到了广泛应用，同时也带来了广阔的市场前景。DC-DC变换器作为一类典型的强非线性时变动力学系统，存在分岔和混沌等丰富的非线性现象，因此，研究DC-DC变换器的非线性行为和混沌控制对于优化电路参数和拓宽系统稳定工作范围十分重要。同时，研究DC-DC变换器的系统设计与优化对于提高变换器的稳态性能和瞬态性能、降低体积和功耗、缩短研发周期具有重要的实际意义。
　　本文以峰值电流控制Buck型DC-DC变换器为研究对象，从非线性现象、斜坡补偿和系统设计三个方面进行了研究。首先，以CCM下单环控制的峰值电流Buck变换器为研究对象，建立了二维精确离散映射模型，利用分岔图、Poincaré截面、时域波形、相轨图、Jacobian矩阵和Lyapunov指数等方法详细研究了变换器的非线性动力学行为，并特别研究了开关频率对变换器的影响。结果表明，变换器在参数变化时经历了倍周期分岔、边界碰撞分岔到混沌的分岔道路。然后，以CCM下单环控制的斜坡补偿Buck变换器为研究对象，建立了二维精确离散映射模型，利用分岔图、Jacobian矩阵、时域波形和相轨图研究了斜坡补偿对变换器稳定性的影响，并对变换器稳定运行的参数域进行了预测。结果表明，斜坡补偿可以有效拓宽系统稳定工作范围。最后，以CCM下双环控制的峰值电流Buck变换器为研究对象，建立了完整小信号模型，分别完成了电流环路和电压环路的设计，得到了斜坡补偿斜率的最优值并进行了优化前后的对比分析。
　　本文采用Power Simulation(PSIM)搭建峰值电流Buck变换器电路，利用PSIM仿真数据在Matlab中绘图，仿真结果验证了理论分析的正确性。然后分别搭建了单环控制和双环控制峰值电流Buck变换器的实验平台分别进行了非线性现象和系统性能的实验验证，实验结果也证明了理论分析的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状与发展趋势

1．3 论文研究内容

1．4 论文结构安排

第二章 DC-DC变换器及其非线性理论基础

2．1 DC-DC变换器基本结构

2．2 Buck变换器工作原理和参数设计

2．2．1 Buck变换器工作原理

2．2．2 Buck变换器参数设计

2．3 DC-DC变换器控制方式

2．3．1 控制方式分类

2．3．2 电压模式控制

2．3．3 电流模式控制

2．4 混沌理论基础

2．4．1 混沌的基本概念

2．4．2 混沌的基本特征

2．5 DC-DC变换器通向混沌的道路

2．6 DC-DC变换器非线性分析方法

2．7 本章小结

第三章 峰值电流Buck变换器的非线性现象分析

3．1 概述

3．2 峰值电流Buck变换器动力学建模

3．2．1 工作原理

3．2．2 离散迭代映射模型

3．2．3 电感电流边界

3．3 峰值电流Buck变换器动力学行为分析

3．3．1 参考电流作为分岔参数

3．3．2 输入电压和负载电阻作为分岔参数

3．3．3 开关频率的影响

3．4 系统稳定性分析

3．4．1 Jacobian矩阵确定分岔点

3．4．2 Lyapunov指数分析

3．5 非线性现象实验验证

3．5．1 实验电路搭建

3．5．2 实验验证

3．6 本章小结

第四章 斜坡补偿Buck变换器的稳定性控制分析

4．1 概述

4．2 斜坡补偿Buck变换器动力学建模

4．2．1 工作原理

4．2．2 离散迭代映射模型

4．2．3 电感电流边界

4．3 斜坡补偿Buck变换器动力学行为分析

4．3．1 斜坡补偿对电路参数的影响

4．3．2 斜坡补偿作为分岔参数的影响

4．4 斜坡补偿Buck变换器稳定运行的参数域预测

4．5 斜坡补偿电路的设计实现

4．6 本章小结

第五章 峰值电流Buck变换器系统设计与优化

5．1 峰值电流控制DC-DC变换器不稳定现象分析

5．1．1 次谐波振荡原因分析

5．1．2 斜坡补偿技术

5．2 系统建模

5．3 电流环路设计

5．4 电压环路设计

5．5 斜坡补偿优化对比分析

5．6 实验电路验证

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文