DC/DC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。

Abstract: DC/DC power switch converter is the core part of switch power supply. Through the study of chaos phenomena, the essence of DC/DC converter can be more deeply understand, the new design methods and control strategies based on chaos phenomena will be put forward in the future, to achieve the existing DC/DC converter that cannot reach. This paper introduces the research status of the DC/DC converter chaos phenomena, makes comprehensive comparative analysis of the basic modeling method of DC/DC converter chaos phenomena, and looks to its development and future application prospect.

关键词： DC/DC变换器；混沌；非线性

Key words: DC-DC converter；chaos；nonlinear

中图分类号：TM643 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）25-0066-02

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。

1 DC/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Bass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Boost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Tes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。

2 DC/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。