DC/DC開關變換器混沌現象研究綜述摘要：dc/dc功率開關變換器是開關電源的核心部分，通過對其混沌現象的研究可以更加深刻地認識dc/dc變換器的本質，也會在將來基于混沌現象提出新的設計方法和控制策略，實現現有dc/dc變換器無法達到的性能。本文介紹了dc/dc變換器混沌現象的研究現狀，對dc/dc變換器混沌現象的基本建模方法進行了綜合對比分析，展望了dc/dc變換器混沌研究的發展和未來應用前景。

abstract:dc/dcpowerswitchconverteristhecorepartofswitchpowersupply.throughthestudyofchaosphenomena,theessenceofdc/dcconvertercanbemoredeeplyunderstand,thenewdesignmethodsandcontrolstrategiesbasedonchaosphenomenawillbeputforwardinthefuture,toachievetheexistingdc/dcconverterthatcannotreach.thispaperintroducestheresearchstatusofthedc/dcconverterchaosphenomena,makescomprehensivecomparativeanalysisofthebasicmodelingmethodofdc/dcconverterchaosphenomena,andlookstoitsdevelopmentandfutureapplicationprospect.

關鍵詞：dc/dc變換器；混沌；非線性

keywords:dc-dcconverter；chaos；nonlinear

0引言

近年來，開關電源在許多領域例如郵電通訊、軍事裝備、交通設備、儀器設備、工業設備和家用設備等方面得到了廣泛的應用，電源是各電子設備的核心，電源系統出故障就會使整個電子設備不能正常工作，因此，電源系統質量的優劣和可靠性的高低直接決定著整個電子設備的質量。dc/dc開關變換器作為開關電源的核心技術，在實際運行中出現諸如運行狀態突然崩潰、系統不能按設計要求運行、系統運行不穩定等不規則和奇異的現象是常有的事。

dc/dc開關變換器的非線性是固有的，在運行中出現非常多非線性現象也不足為奇[1]-[3]，上述不規則和奇異現象是dc/dc開關變換器中混沌現象普遍存在的。一旦dc/dc開關變換器在混沌區域運行，預測不了系統運行狀態的原因就是混沌的不確定性，這對dc/dc開關變換器的控制性能造成的影響非常大，甚至會讓它完全停止運行。因此，我們不能只在穩定運行區域內研究dc/dc開關變換器，應該在非線性系統混沌現象理論的指導下，研究其運行規律。

1dc/dc開關變換器混沌現象研究現狀

目前，還沒給混沌一個統一的定義，但混沌卻有被人們普遍接受的基本特征：對初值的極端敏感性、存在不穩定周期軌道的稠密集、具有正的lyapunov指數，功率譜連續、具有遍歷性，普適性等。

早在20世紀80年代末，就有了關于dc/dc開關變換器的混沌現象的研究，而近些年來，這一領域的研究漸漸成為了國際上電力電子技術專家們研究的熱門課題。1990年krein和bass提出對功率電子電路中的非線性現象進行研究是非常重要的[4]。他們對有界、跳躍以及混沌現象進行了實驗觀察，指出了非線性系統的有界特性，同時也說明了dc/dc變換器工作于混沌狀態并不意味著就是不可靠，雖然早期對此并沒有給出嚴密的理論分析，但卻使從事功率電子學工作的專家想起了曾遇到過的一些奇異現象原來在科學上是可以解釋的，對這些奇異現象的研究將會對電路的設計有很大益處。隨后，hamill等人在1990年的ieee功率電子學專家學術會議上宣布了一篇關于buck開關調節器的混沌現象研究論文，并在ieee功率電子學匯刊上發表[5]。這篇文章描述的是推導一種簡單buck開關調節器工作在連續導電模式（ccm）下的隱式迭代映射方法，通過對該隱式迭代映射法進行數字實驗并演示了倍周期分岔、子諧波以及混沌的存在，并通過仿真和實驗證實了其真實性。

1991年，經hamill等人的研究，發現了boost變換器工作在電流控制模式下的閉環迭代映射方法[6]。自此以后，許多電力電子技術專家都開始探索分岔圖案和混沌吸引子的辨識。1997年，chan和tes在文章中指出在間斷導電模式（dcm）下的dc/dc變換器條件具備的情況下出現倍周期分叉現象也是有可能的[7]。

在了解了一些dc/dc變換器中的混沌現象之后，一些專家學者就對混沌現象的控制展開研究。1998年，poddar等人提出了控制pwm型buck開關變換器中存在的混沌現象的新方法——利用參數擾動的方法。近些年來，專家學者在混沌控制的現象觀察，仿真證實等方面做出了新的貢獻，提出了一些創新點，這些都有利于研究如何對dc/dc變換器混沌現象進行控制。

2dc/dc變換器的混沌建模方法

dc/dc開關變換器是一種典型的時變非線性開關電路，所以這種系統也具有復雜的現象：若不能穩定工作，當有些參數改發生變化時，就可能出現分叉、混沌等工作狀態。所以其混沌建模一直是一個困難的問題，現有的建模方法分為兩類，即純數值仿真方法和近似離散模型分析法。

上述兩種方法各有特點，其中純數值仿真法雖能發現dc/dc的混沌現象，但比較難解釋其發生的機理。現在大部分的功率電子學中的電路都是非自治系統且由周期固定的時鐘脈沖驅動，因此離散映射法在其研究中的應用是很合理的[8]-[10]，這種方法的優勢主要表現在：使運算量少了，能對dc-dc變換器在穩定工作狀態、分叉、混沌等各種線性、非線性現象進行正確分析。離散時間映射有異步切換映射（a-switchingmap）、同步切換映射（s-switchingmap）、頻閃映射（stroboscopicmap）、成對切換映射（two-by-twomap）。

3dc/dc變換器混沌發展方向及未來應用

3.1混沌控制混沌的控制主要有兩大類：無反饋控制法和反饋控制法。其中應用最廣的是反饋控制法。至今，已經誕生了更多的混沌控制方法，如：參數自調節控制方法，神經網絡控制方法等等。dc/dc變換器混沌控制是一個新的概念和嘗試，已引起了非常廣泛的注意和興趣，但是dc/dc變換器的反混沌控制研究卻還處于起步階段，我們期待更多的學者研究出更多更有效的控制方法。

3.2利用混沌功率譜特性提高電磁兼容性關于電磁兼容性（emc）包含以下兩點內容：電源能抑制其他設備對其造成的電磁干擾；電源不對其他設備造成電磁干擾。傳統的實現電源emc技術方法如：降低du/dt或di/dt，采用壓敏電阻來吸收浪涌電壓，阻尼網絡抑制尖峰電壓，用軟恢復特性二極管抑制高頻噪聲，有源功率因數和諧波校正等。

周期或擬周期震蕩信號的頻譜是離散譜，而混沌周期振蕩輸出信號則是一定頻率范圍內的連續譜，所以當電磁傳輸功率一樣時，非線性混沌系統的頻譜平均分配在較寬的范圍內，可以利用混沌這種固有的均勻分布頻譜功能來提高dc/dc開關變換器的電磁兼容能力（emc）。利用混沌功率譜特性提高emc的優點在于不用添加外加設備，節約成本，符合電源日益往小型化發展的趨勢。

3.3利用混沌同步特性進行均流控制隨著微電子技術的迅猛發展，超大規模集成電路的不斷涌現，電子設備電源的模塊化、智能化已是當今電源技術發展的主流趨勢，但是這樣使得dc/dc變換器的并聯均流對變換器的容量、可靠性等影響比較大。研究表明，利用混沌的同步特性來實現dc/dc變換器的并聯均流成為了一個新的研究課題。

3.4利用混沌初值敏感性提高動態特性混沌運動對初始值的極端敏感性，表現為從任意靠近兩個初始值出發的軌道在一定的時間區域內將會以指數形式分離，我們不需要改變系統的整體結構就能實現混沌系統的控制，這是其他非線性混沌系統所不能做到的。

3.5利用混沌遍歷性進行參數的優化和辨識混沌運動在其混沌吸引域內是各態歷經的，即在有限時間內混沌軌道經過混沌區內每一個狀態點，所以可以利用混沌運動在一定的范圍內按照自身“規律”能夠不重復地遍歷所有狀態這一特點，把混沌變量的遍歷范圍最終調整為被優化變量的取值范圍，之后再利用混沌變量搜索最優值，這樣的效果肯定會優于傳統上采用的隨機搜索方法，根據上述特點，可以將運用混沌的遍歷性運用在電力電子變換器的參數辨識和優化設計中。已有文獻表明這種優化方法在模糊電力系統穩定器的最優設計以及靜態負荷模型參數辨識中得到應用并取得了成功。

4結語

隨著社會的發展，電源技術也在不斷發展：我們運用各種技術方法擴展電源的功率范圍、提高電源的電氣性能、節能效果、工作可靠性、電源小型化和集成化的程度、積極研發工作在高溫、高海拔、高潮濕、高鹽霧、抗輻射等特殊自然環境和冶金、焊接、電鍍、熱處理等特殊工作環境下的特種電源。我們對其核心，dc/dc變換器混沌現象的研究還只是一個開始，許多問題尚待解決。但隨著越來越多學者的進一步深人研究，dc/dc變換器的本質一定會被認識得更加深刻，dc/dc變換器的應用也會在此基礎上進一步提高，而由此帶來的dc/dc變換器設計技術和應用技術的革命與創新，或許會對郵電通訊、軍事裝備、交通設備、儀器設備、工業設備和家用設備等在工業上受益。

參考文獻：

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[3]p.t.krein,r.m.bass,typesofinstabilityencounteredinsimplepowerelectroniccircuits,unboundedness,chatteringandchaos,inappliedpowerelectronicsconferenceandexposition,1990:191-194.

[4]p.t.kreinandr.m.bass.typesofinstabilityencounteredinsimplepowerelectroniccircuits:unboundedness,chatteringandchaos[c].appliedpowerelectronicsconf.1990:191-194.

[5]d.c.hamill,j.b.deaneandd.j.jefferies.modelingofchaoticdc/dcconvertersbyiteratednonlinearmappings[j].ieeetrans.onpowerelectronics,1992,7(1):25-36.

[6]j.h.b.deaneandd.c.hamill.chaoticbehaviorinacurrent-modecontrolleddc/dcconverter[j].electronicsletters.1991,27:1172-1173.

[7]c.k.tse.flipbifurcationandchaosinathreestateboostswitchingregulator,ieeetrans.cas.parti,1994,42(1):16-23.

[8]hamilld.c.deanejhbjefferiesdjmodelingofchaoticdc-dcconvertersbyiteratednonlinearmappings[j].ieeetrans.onpowerelectron,1992,7(1)25-36.

[9]banerjeeschakrabartyknonlinearmodelingandbifurcationsintheboostconverter[j]ieeetrans.onpowerelectron,1998,13(2):252-260.

[10]alfayyoumimnayfehahborojevicdmodelingandanalysisofswitching-modedc-dcreg