DC-DC开关变换器的混沌现象及其应用

摘要：目前，DC-DC 开关功率变换器的非线性现象的研究已发展到了混沌的控制与应用研究。本文论述了对DC-DC 开关变换器的混沌现象及其应用，并展望了混沌开关变换器的应用前景。

关键词：时变非线性；DC-DC开关变换器；混沌；开关频率

中图分类号：TM401.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599(2011)07-0000-01

DC-DC Switching Converter Chaos and Application

Meng Junhong1,Zhang Youcheng2

(1. Shenyang Institute of Technology,Automotive Branch,Shenyang11015,China;2.Liaoning Dongmei Commerce Co.,Ltd.,Shenyang110010,China)

Abstract:At present,DC-DC switching power converter of the nonlinear phenomenon of chaos has been developed to control and application.This paper discusses on the DC-DC switching converter in its application,and future prospects of chaotic switching converter applications.

Keywords:Time-varying nonlinear;DC-DC switching converter;Chaos;

Switching frequency

DC-DC开关变换器是一个固有开关非线性系统，因此开关变换器运行中必然存在着丰富的非线性现象。诸如运行状态的突然崩溃、不明的电磁噪声、系统运行的不稳定、无法按设计要求工作等。已有的研究表明上述不规则现象是开关变换器中混沌现象的一种普遍的表现[1]。当DC-DC开关变换器工作在混沌区时，混沌的不确定性将导致系统的运行状态无法预测，从而使DC-DC 开关变换器的控制性能受到极大的影响，甚至完全不能工作。因此要从非线性系统混沌现象的理论高度来探索DC-DC开关变换器运行规律。通过对各种DC-DC 开关功率变换器的混沌现象探索和研究，可以达到如下重要的目的：(1)在变换器设计中优化参数设计，避免有害混沌现象的出现，消除奇异或不规则现象，使DC-DC开关功率变换器稳定工作并在高性能下运行。(2)由于混沌运动中存在很多不稳定的周期轨道，可以采用各种控制策略，控制功率变换器工作在预期的周期轨道上，从而实现周期轨道的快速变换，使DC-DC开关变换器的工作性能实现超常规的提高。

一、DC-DC开关变换器混沌现象的研究现状

20世纪90年代以来，DC-DC的研究逐渐成为国际上专家研究的热门课题。然而由于DC-DC开关变换器非线性工作的复杂性，使DC-DC开关变换器的混沌现象的研究工作尚处于理论探索和实验上的观察阶段。

虽然混沌的概念至今没有一个统一的严格定义，但混沌的基本特征已为人们所普遍接受，这些特征包括有：系统的动力学特性对初始条件极其敏感、存在不稳定周期轨道的稠密集、具有正的Lyapunov指数或有限的KS熵，功率谱连续、具有非遍历性等。DC-DC 开关变换器是一种时变非线性开关电路，除了稳定工作外， 还可能出现分叉、准周期、混沌等多模式的工作状态。

二、混沌状态在DC-DC 开关变换器中的应用

对于实际的功率电源设计者来说，变换器工作于混沌状态是一种不正常的、不可靠的现象，长期以来总是被回避和抵制。对DC-DC 变换器中的混沌现象产生方式与产生过程的研究有助于人们在设计中避开这种不理想的现象的发生，而使变换器工作于稳定的周期工作状态。然而，实际上混沌状态是一种有界的不稳定振动，具有整体的稳定性，因此DC-DC 开关变换器的混沌工作状态不会对电路产生破坏性的危害。相反，混沌状态的一些特性(如连续宽带频谱、遍历性、对扰动极其敏感性等)可为人们所利用以获得某些实际的应用。如扩展频谱以减弱电磁干扰[2]，利用混沌同步以实现保密通信[3]等。开关变换器的一个明显缺点是会产生电磁干扰(EMI)，尽管可通过优化设计、滤波及屏蔽等方法可使EMI得到一定程度的减小，但要达到国际电磁兼容标准的要求往往是十分困难的。由于电磁兼容(EMC)标准规定宽带噪声在一定程度上是可以容许的，而窄带噪声应受限制。因此可通过扩频技术来减少干扰频谱峰值，以满足电磁兼容性要求。通常的方法是对脉宽或开关频率进行周期调制，但需要增加额外的调制电路。然而可考虑令变换器工作在混沌工作状态以达到扩频的目的。因为开关变换器的混沌工作态是一种类似噪声的非周期工作态，具有连续的宽带频谱。尽管仍存在频谱尖峰，但相对于稳定的周期工作状态要平坦得多。文献[2]对峰值电流控制的Boost变换器进行了实验研究，证实了混沌工作态与周期工作态相比频谱峰值有较大的减小，平均减小达3.6dB，而且这还没有采取任何优化手段的结果。但这种扩频方法也衍生出一些问题，首先是混沌工作态的低频噪声功率增加了；其次为了实现扩频，必须保证变换器有一定的鲁棒性。

混沌系统的吸引子中有着极其稠密的不稳定周期轨道，且混沌运动具有遍历性，这就促使人们设想利用混沌状态的这些性质实现各周期之间的快速切换，虽然至今人们对这种快速切换在工程上有何应用价值并不十分清楚，但它实际上蕴涵了一种可能的潜在作用。为了使工作于混沌态的DC-DC开关变换器稳定于某个周期轨道上，需要对变换器的混沌工作态加以控制，基于混沌系统具有对微扰极端敏感的特性，可设计出DC-DC开关变换器的各种混沌控制方法。而令混沌开关变换器稳定于其混沌吸引子的某个不稳定周期轨道上所需的控制力是最小的，所以为实现对混沌的控制，首先均要从混沌吸引子的无数个不稳定周期轨道中分辩出需要加以控制的目标周期轨道，然后通过参数扰动法或修正导通时刻的方法使变换器运动轨迹稳定在这个目标周期轨道上。这些混沌控制方法的概念都非常清晰明了，且计算量小，不需构造离散时间映射，具有简单实用的特点。

经历了三十多年的研究，DC-DC 开关变换器尽管新的拓扑结构仍有可能不断出现，但从分析方法和控制方案上来看，已基本趋于成熟。然而，目前对DC-DC 开关变换器的混沌现象及其应用的研究才刚刚起步，技术手段仍然以数值仿真和典型电路的实验为主，对各种开关变换器电路的研究总是逐个进行，没有一种统一的混沌分析的理论方法。此外，开关变换器混沌的控制与利用仍为一片未开垦的处女地，其中应用混沌开关变换器实现高频混沌开关电源，可望使开关电源的EMC 问题得到解决。总之，有理由相信控制混沌和利用混沌的前景必定是十分广阔和无比美好的。

参考文献：

[1]D.C Hamill and D.J.Jefferies. Subharmonics andchaos in a controlled switched2mode power converter.IEEE Trans[J].Circuits systems,1988,35(8):1059-1061

[2]J.H.B.Deane and D. C. Hamill.Improvement of PowerSupply EMC by Chaos[J].Electronics Letters,1996,32(12):1045

[3]禹思敏.混沌系统同步与调制技术及其在保密通信中应用的研究[D].华南理工大学博士学位论文,广州,2001