（电工理论与新技术专业论文）混沌控制降低新型闭环dcdc+boost变换器电磁干扰水平的研究.pdf

a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ee m cp r o b l e mi sai m p o r t a n tf a c t o rm u s tb ec o n s l d e r e dw h e na s w i t c h e d m o d ep o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d i nt h i st h e s i sw ei n v e s t i g a t et h e w a yt od e p r e s se m ii ns w i t c h o d m o d ep o w e rs u p p l yi nt h es o u t s es t a g e a c c o t d i n gt o t h ei n h e r e n tc h a o t i cp h e n o m e n o ni ni t a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，w ei n t r o d u c es e v e r a lu s u a lm e t h o d s s i m p l yt od e p f e s se m ia n da m e l i o r a te m c o fs w i t c h e d m o d ep o w e rs u p p l y a tt h es a m et i m ew ea n a l y z et h el i m i t a t i o no fs o m et r a d i t i o n a lm e t h o d sa n d t h ep o t e n t i a lg o o d n e s so fc o n t r o lo fc h a o st od e p r e s se m io fs w i t c h m o d e p o w e rs u p p l y s e c o n d l y ，w er e g a r dd c d cb o o s tc o n v e r t e ra sr e s e a r c ho b j e c ta n d a n a i y z et h eh a r m o n i cc o m e p o m e n td i s t r i b u t i o nr e l a t i o n s h i pi n d i v i d u a l l yi n p e r i o d ，d o u b l e p e r i o da n dc h a o ss t a t e r e f b r r i n gt ot h es p e c t r u mc h a r a c t e r r i s t i co fc o n v e r t e rt h r o u g hp e r i o d d o u b l i n gb i f h r c a t i o nt ot h ec h a o s w e c o n f i r mt h ec o n c e p ti nt h e o r yt h a tt h ec o n v e r t e ri nc h a o ss t a t eh a sa1 0 w e r e m il e v e l t h a nt h a ti np e r i o ds t a t e t h i r d l y ，t h r o u g ht h ec i r c u i te x p e r i m e n t ，w ea n a l y z ea n dc o n l p a r et h e e m i1 e v e la m o n gn e w ( w i t hm a x i m u m m i n i m u mc u r r e n tl i m i t e dc o n t r 0 1 ) ， p r o t o t y p e ( o n l y w “hm a x i m u mc u r r e n tl i m i t e d c o n t r 0 1 ) a n dc o n s t a n t f r e q u e n c yc o n t r o l l e d d c d cb o o s tc o n v e r t e r s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t d e m o n s t r a t es a m e l yt h a tt h en e wc o n v e r t e rw o r k si nt h ec h a o t i cs t a t eh a sa b e t t e rf u n c t i o nt od e p r e s se m i ， a tl a s t ，w ed e s i g nae x p e r i e n t i a ic i r c u i to fn e wc l o s e d - l o o pd c d c b o o s tc o n v er t e rw i t hv 0 1 t a g ef e e d b a c k t h e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t et h a tt h en e wc l o s e d 一1 0 0 pc o n v e r t e rc a nw o r ki nc h a o ss t a t ew i t ha s t a b l eo u t p u tv 0 1 t a g e t h ec o n v e r t e rw i t hb o t hv 0 1 t a g ea n dc u r r e n tf e e d b a c k i n t h i st h e s i sn o to n l yh a sa1 0 w e re m il e v e r ， b u tc a nk e e pt h eo u t p u t v o l t a g es t e a d y s ot h ea n a l y s i sr e s u l tp u tt h er e s e a r c ht 0r e d u c ee m i1 e v e l o fn e wc l o s e d 一1 0 0 pd c ，d cb o o s tc o n v e r t e rb yc o n t r o l l i n gc h a o so nt h e i i a b s 口a c t w a y t ou i t i l i t y k e yw o r d s c h a o ss w i t c h e d m o d ep o w e rs u p p l yc o n v e r t e r e 1 e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e l e c 订om a g l l e t i cc o m p a t i b i l i t y i i i 一 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 ， 学位论文作者( 签名) ：殊他搀 2 0 0 6 年5 月8 日 1 1 开关电源发展现状 第一章绪论 随着半导体技术的飞速发展，尤其是大规模集成电路的广泛应用，电子设备 得以向小型化、固态化的方向发展。这当然也对电源设备提出更高的要求，要求 电源设备同样向着小型化，高效化方向发展。开关电源的出现，成为电源领域的 一次革命，尤其是7 0 年代以来，开关电源技术在世界各发达国家得到广泛应用。 开关电源由于功率变换器工作频率很高，且开关晶体管工作于开关状态，因而甩 掉了笨重的工频变压器，使电源的体积重量大幅减轻，而效率却比采用工频变压 器的线性电源大大提高。近年来，开关电源不断向高频化方向发展，随着一些功 能完备的集成控制电路的涌现，开关电源电路也日益简单化，在与线性电源的市 场竞争中呈现了先导之势”。j 。 目前，电子电源技术正在酝酿着新的突破，尤其是谐振式电源的出现，将电 源的工作频率提高到兆赫兹，使得开关电源日益高效化，小型化，高频化，许多 采用软开关技术的产品已经初见端倪。随着技术的不断发展，高频开关电源在设 计上所遇到的难题均会得到妥善的解决，开关电源的应用范围也将更加广泛。 1 2 开关电源的电磁干扰问题 近年来，开关电源以其高效、灵活、轻巧等优点得到广泛的应用，但从电磁 兼容的观点上看来，开关电源本身又是严重的电磁干扰源，会产生多种类型的干 扰信号，对设备及系统的正常运行构成潜在的威胁。 在开关电源中，主功率开关管在很高电压下，以高频开关方式工作，开关电 压及开关电流均为方波，该方波所含的高次谐波的频率可达方波频率的1 0 0 0 次以 上。同时，由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状 态并非理想，在高频通断时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产 生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及 变压器向空间辐射 4 。8 】。这些干扰会严重污染周围的电磁环境和电源系统。因此有 必要提高开关电源的电磁兼容性以避免这些危害。 郑州大学工学硕士论文 所谓电磁兼容性是指设备在规定的电磁环境中，不因受电磁干扰而降低工作 性能，以及它本身的电磁发射不应大于规定的极限值，以免影响其它设备的正常工 作。电磁兼容性用电磁发射( 传导、辐射) 和敏感度来衡量。国家军标g j b l 5 l 8 6 中对各类军用设备电源的电磁发射及敏感度极限值有明确的规定。国外也有相应 的标准规定，军用标准有m i 卜s t d 一4 6 l 4 6 2 ，商用标准有f c c 、c i s p r 、v d f 等。电 磁兼容性是电子设备，特别是军用电子设备必须达到的重要指标。开关电源的电磁 兼容性直接影响整个设备和系统的电磁兼容性。因此，电源设计必须充分考虑电磁 兼容性设计。 1 3 抑制电磁干扰的几种常规措施 开关电源的噪声分为三类【9 】：输出噪声、传导噪声、辐射噪声。相对应的， 抑止开关电源噪声的基本手段也就有了屏蔽、接地处理、输入输出滤波等多种形 式。 通过电路选择也可以减小e m i ，电路选择也就是选择电磁发射微弱的零电压开 关、零电流开关谐振技术或其它软开关技术。通常采用谐振开关来降低别虎及 硪疵引起的e m i ，即让开关管在电流过零时换流( z c s ) ，电压过零时换向( z v s ) ， 以降低驯西及旃出引起的e m i ，这些技术已经得到了实用。 但是目前利用双零开关技术组成的各种各样的d c d c ，d c a c 以及a c a c 变换 电路，由于其控制方式的限制( 谐振频率固定) ，还不能减少各种变换电路的元器 件尺寸，因而不能推进双零开关在可变电压电源中的小型化。而且采用这种技术 所用功率开关器件和硬开关技术相比，电压电流等级要求较高，电路结构较复杂， 增加了电源的成本，对于工作频率不是太高的小功率开关电源，从减少电源体积 和经济性方面来考虑就不如硬开关。 而在降低硬开关的电磁干扰方面，这几年国内外有一些公司采用了频率抖动 技术和扩频技术【1 0 。5 1 。频率抖动技术是开关元件围绕某一基本开关频率在一定的 频率范围内以一固定速率开启、闭合。由于功率管的开关频率是在窄范围内偏移 的可变频率，使得开关电源信号在基波和各次谐波3 处的幅值尖峰降低，变得比 较平滑，进而有效抑制了各次谐波干扰。扩频技术则由一个伪随机序列进行调制， 以消除窄带谐波。这两种技术在。一定程度上降低了电源的谐波干扰，但从输入电 流电压频谱来看，基波和各次谐波处的幅值还是比较大。随机开关调制技术也是 最近几年发展起来 提高开关电源电磁兼容性的一种有效方法【1 6 。17 1 ，随机开关控制方法主要有随机脉 冲位置调制( r a n d o mp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，r p p m ) ，随机脉宽调制( r a n d o m d u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，r p w m ) ，具有固定占空比的随机载频调制( r a n d o i 】 c a r r i e r 茁r e 口u e n c v 那o d u l a t i o nw i t hf i x e d d u t yc y c l e ) ，以及具有变化占空 比的随机载频调制( r a n d o mc a r r i e r f r e n q u e n c ym o d u l a t i o n w i t h v a r i o u s d u t yc y c l e ) 。随机调制方案的随机开关信号一般是通过噪声源来实现， 或预先进行存储，还有通过伪随机m 一序列来控制开关。随机开关调制技术的思路 是通过对开关的控制，把恒频控制的周期性信号的离散频谱变为随机信号的连续 平滑频谱，在总能量不变的前提下，将集中的能量展宽，消除频谱尖峰，实现降 低e m i 水平的目标。 1 4 应用混沌控制降低开关电源酬i 的思路 上节介绍的解决开关电源电磁兼容的方法如滤波、接地、屏蔽、旁路、去偶 谐振开关技术，尽管都有一定的效果，但均有各自的局限性，而且这些办法也都 是被动的降低电磁干扰的影响。最近发展起来的频率抖动技术、扩频技术、随机 开关技术等尽管在思想上已经有了在源头上抑制电磁干扰产生的考虑，但需要增 加许多附属的外部电路。技术、经济上均有不足之处。本文则介绍一种全新的降 低电磁干扰的思路用混沌控制的方法来降低电磁干扰，提高开关电源的电磁 兼容性。 混沌控制的概念自从1 9 9 0 年在电力电子领域提出以来，其理论和方法已经得 到充分研究。随着混沌技术和电力电子技术的发展，科技人员对开关电源中的混 沌现象的认识进一步加深，最近几年已有了在开关电源电路非线性现象研究基础 上利用混沌理论降低电磁干扰水平，提高电磁兼容性思想的出现1 8 五”。 混沌 2 2 】是指在确定的非线性系统中出现的一种貌似无规则类似随机的现象。 混沌科学和其他科学相互渗透，目前在生物学、生理学、心理学、数学、化学、 电子学、信息科学、天文学和气象学等学科方面，混沌都得到了广泛的应用。因 此有人说：混沌理论同相对论、量子力学一起并列为2 0 世纪的三大发现。它主要 有以下几个特性：( 1 ) 确定性，( 2 ) 对初值的极端敏感性( 3 ) 频谱的连续性。混 沌现象在自然界是普遍存在的。 开关电源电路本质上也是一个强非线性时变系统。实用中的开关电源也会出 现诸如次谐波振荡、周期跳跃、拟周期运动、分叉以及混沌等现象。近年来，国 郑州大学工学硕士论文 际上一些学者已经在这方面开展了卓有成效的工作。文献盼2 8 1 就是利用非线性动 力学的概念、方法对开关电源变换器中的混沌现象进行了分析和研究，证实了混 沌控制在开关电源中的重要意义。 传统的开关电源开关元件通常是工作在周期状态的，相应的各个物理量也是 周期信号。由时、频域的理论可知，周期信号功率谱上只有在频率等于零、基波 和基波整数倍频率处出现离散的谱线，谱线具有较高的尖峰。而混沌信号是有界 的非周期信号，为无限多个不同频率的周期信号的叠加，其功率谱有随机信号的 谱特征。 前面已经提及，混沌信号有功率谱连续的特性，即功率谱出现了噪声背景和 宽峰，谱线较为平滑。在信号总能量相同的前提下，混沌信号能量分布相对较为 均匀，功率谱各频率点幅值较低。本文就是利用混沌信号的这个特性来降低e m i 水平，提高e m c 效果。加之混沌是开关电源变换器电路内在固有的，不增加开支， 因此利用混沌技术提高e m c 是一个具有广阔发展前景的方法。 目前混沌降噪技术还应用到了其他领域，比如潜艇的降噪。尽管这些技术不 属于同一领域，但其原理都是一致的。即让系统工作在混沌状态，使原来系统的 离散频谱连续化，进而降低噪声。混沌控制在电磁干扰抑制方面的研究也是混沌 应用的一个有益的尝试。 实际中和e m i 相关的因素很多很复杂，电磁兼容的设计任重而道远，我们还 要不断进行研究，使我国的电子产品电磁兼容水平与国际同步。 1 5 论文章节安排 本文在新型开环d c d cb o o s t 变换器的基础上，对闭环情况下的交换器进行 了分析研究。通过控制其组合参数( 主要是电流的上、下限、反馈系数、参考电 压) 使变换器工作在混沌状态，并对工作在混沌状态下的变换器频谱与周期状态 下的频谱进行分析、比较。仿真结果和理论分析均表明，工作在混沌状态下的变 换器能够降低电磁干扰水平，在电磁兼容性方面要优于恒频控制的变换器。论文 共分五章： 第一章绪论。 第二章峰值电流控制法在d c d cb o o s t 型变换器中的应用，主要介绍了d c d c b 0 0 s t 变换器的工作原理，以及混沌控制在抑制电磁干扰方面的优越性。通过仿真 和实验证明了新型变换器在降低电磁干扰方面有更优异的表现。 第三章新型闭环d c d cb 0 0 s t 变换器研究，主要介绍了新型闭环d c d cb o o s t 型变换器的结构特征。并对电路进行了计算机仿真和理论分析。通过比较变换器 在周期状态与混沌状态下的频谱特征，证明了新型闭环变换器可以有效降低开关 电源e m i 。 第四章新型闭环d c d cb o o s t 变换器电路设计与试验，本章参照第三章变换 器的拓扑结构设计了一个具有电压反馈回路的新型闭环d c d cb o o s t 变换器电路。 p s p i c e 仿真表明，这个电路能够舀保持电压稳定的蒯屠f l 女变换器工作于硒屯状态，既 保留了抑制电磁干扰的特性也具备了稳压的优点。仿真结果也为下一步的试验提 供了参考数据。 第五章结论和展望，简要总结论文的主要内容，陈述了论文中所做的主要工 作与不足，提出了下一步的工作和研究方向。 郑州大学工学硕士论文 第二章峰值电流控制法在d c d cb o o s t 变换器中的应用 直流一直流变化器( d c d c 变化器) 也称为斩波器，它可以将固定的直流电 压转换为可调的直流电压。通常的直流变换器是利用电力电子器件的通断控制，将 直流电压断续的加到负载上，通过改变通断时间比( 占空比) 来改变输出电压的平 均值。直流一直流变换器广泛应用在直流开关电源和赢流电机驱动系统中。 d c d c 变换器按工作原理不同可分为谐振型变换器和非谐振型变换器两大类。 谐振型的d c d c 变换器采用谐振技术，开关元器件在开关瞬间承受的电压或电流 为零，从而降低了开关损耗，提高了电源效率；而非谐振型d c d c 变换器中的主 开关器件在开通瞬间存在较高电压，关断瞬间流过开关器件的电流也非零，因此效 率较低，这种状态下工作的开关也称作硬开关。本课题研究的范畴属于硬开关电源。 一台合格的电源，需要满足各项基本技术指标要求，如应能保证输出电压的精 度、稳定度、使用安全可靠、通讯顺畅等功能。正如绪论中所述，开关电源本身就 是严重的电磁干扰源。因此降低电磁干扰水平，提高电源的电磁兼容性也应该是开 关电源设计者要考虑的课题。 本章研究了d c d cb o o s t 型变换器中固有的混沌现象，在不附加任何外围电 路的情况下，用组合参数的方法使开关电源的输入电流由普通的周期状态变为混沌 状态，使周期信号的离散频谱变为连续平滑频谱，从而使信号的集中能量均匀的分 布在不同的频段，降低了高幅值的谱线，进而降低了开关电源的电磁干扰水平。 2 1 几种结构的直流变换器及d c d cb o o s t 变换器的工作原理 直流变换器的类型有三种，即升压型( b o o s t 型) 、降压型( b u c k 型) 和升降 压型( b o o s t b u c k 型) 。另外还有一种库克型( c l l k e 型) 的变换器，库克型具有 前面三种变换器的各自特点。这四种变换器的基本结构如图2 1 所示。目前已经 有大量文献【2 9 3 5 】对这几种基本电路的非线性动力学性质进行了分析研究。本章及 以后的章节主要研究非谐振型的d c d cb o o s t 变换器，其他各类型的变换器在此 就不再赘述。 混沌控制降低新型闭环d c ，d cb o o s t 变换器电磁干扰水平研究 0 三 c ( c ) b o o s t 型 厶上2 二f d t _ g j _ 足f ： t【 三d ， _ 呷 s 图2 1 四种结构的直流变换器 f i g 2 1t h ef o u ts t 兀l c n l r eo fd c 仍cc o n v e r t e r 通常d c d cb o o s t 变换器输出电压的改变是通过改变控制脉冲的占空比来实现 的。通常的调制方式有三种：脉冲频率调制( p f c ) 、脉冲宽度调制( p w m ) 以及混 合调制。频率调制是指保持开关器件的导通时间不变，通过改变控制脉冲的周期来 改变开关器件导通与关断的时间比；脉宽调制保持控制脉冲的周期不变，改变开关 器件导通时间来改变输出电压水平；混合调制则综合了前两种调制方式的特点。 图22 d c d c b 0 0 s t 升压型变换器 f i g 2 2d c 仍cb 0 0 s tc o n v e n e r 郑州人学工学硕士论文 主电路结构一定的变换器，无论采用何种调制方式，电路在开关s 开启、闭 合时的状态方程是不变的。下面简要介绍一下脉宽调制下的d c d c b o o s t 变换器 的工作原理。简单起见，此处设所有元器件均为理想元件。由于输出滤波电容足 够大，输出电压【，n 和输出电流，。也可认为恒定直流。另外本课题主要考虑电感 电流连续导电模式下的电路工作情况，有别于电感电流断续导通模式的工作状 态，这种状态下的变换器电感电流恒大于零。 ( a ) 开关管闭合时的等效电路( b ) 开关管开路时的等效电路 图2 3 电流连续工作状态下d c 仍cb 0 0 s t 型变换器的等效电路图 f i 9 2 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fc o n n n u e de l e c 岫cc o n d u c t i o no fd c d cb o o s tc o n v e n e r ( 址) u ( 以一藐： 、 一一i 一 z 一， 7 ： 。乙： 图2 4 变换器连续导电模式下波形 f i g 2 4 t h ew a v e f o r mo f c o n t l n u e de l e c t r i cc o n d u c t i o no f d c d cb o o s t 混沌控制降低新型闭环d c ，d cb o o 吼变换器电磁干扰水平研究 d c d cb o o s t 型变换器结构如图21 ( c ) 所示，其中的开关元件根据实际电路的参 数需要进行选择，采用m o s f e t 时电路可以表示如图2 2 。 设开关管t 由信号u 。控制，当u 。为高电平时，t 导通；反之开关管t 断开。 电路稳态下开关管t 导通时，输入电源的电流流过电感l 和开关管t ，二极管d 反向偏置，输出与输入隔离，此时电路可以等效为图2 3 ( a ) ；当u 。为低电平时 开关管t 关断，电感的感应电势使二极管导通，电感电流f ，流过二极管和负载构 成回路，由输入电源向负载提供能量，此时电路的等效图可以表示为图2 2 ( b ) 。 假设稳态情况下控制信号的周期为b ，开关管导通时间为l 。，断开时间为 。，由图2 3 可知： 由2 1 式可得 堕：u 。 出 。 盱= 上等 0 瓦 h 瓦+ t 。) ( n b + 乙f ( n + 1 ) 疋) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( f ) = 警。一一乃) + 屯( n b ) 。五f n 瓦+ l 。)( 2 - 3 ) 其中0 b ) 为开关管导通时的初始电流，由上式可知，在开关管导通时电 流线性增大，斜率为警，电流最大值为t 。五+ 瓦。) 。 由2 2 式可解得： t ( f ) = 。五+ l ) + 旦鼍 生。一n 疋一l 。) b + 乙f 。+ 1 ) 乃)( 2 4 ) 其中f z 似五+ l ) 为开关管截止瞬间的电流值，因为u u 。，所以电感电流 f 。( f ) 在时间”五+ 瓦。f ( h + 1 ) 瓦期间是线性下降的，一直降到最小值 t ( ( n + 1 ) 瓦) ，这个值也就是下一次开关管导通时的电流初始值。因此稳态时有 郑州大学工学硕士论文 t o 瑶) = 龃0 + 】坯】，稳态过程的电感电流波形如图2 4 所示。 联立2 3 和2 4 式，解得： u s 。+ ( u s 一【，。) ( l 一乙) = o ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式表明稳态时电感元件满足伏秒平衡率，即电感电压在一周期内的平 均值为零。令m = 毒，m 称为稳态电压变换比。设占空比。2 ，则由式2 5 可得： m ：二l( 2 6 ) 1 一d 由于o d l 。即d c d cb o o s t 型变换器输出电压总是高于 输入电压，因此d c d cb 0 0 s t 型变换器又称作升压变换器。 2 2 原型峰值电流控制d c d cb o o s t 变换器 传统的开关模式电源中，不论是p w m 控制模式还是p f m 控制模式，其工 作状态都是周期的，变换器中各信号也都是周期性功率信号。 由时、频域分析理论可知，一定功率的周期信号在频域分解为直流分量与各 次谐波分量的叠加。显然工作于周期开关状态下的变换器，信号的能量在频域就 分布在直流分量与各次谐波上。 由于变换器电磁干扰水平的高低，直接受电路中信号谐波水平的影响。因此 若在不影响变换器性能指标( 输出电压、电压稳定度等) 的情况下从机理上主动 降低变换器电路中信号的谐波水平，就实现了主动降低电磁干扰水平的目标。 d c d cb o o s t 型变换器属于连续一离散混合动态系统，近年来已有不少文献 p ”4 l j 阐述了这种变换器中的混沌现象。本节介绍了一种原型峰值电流控制d c d c b 0 0 s t 变换器，其基本结构如图2 5 所示。 一 图2 5 原型d c d cb o o s t 变换器原理图 f 培2 5t h ec i r c u i td i a g r a m o fp r o t o t y p e d c d cb o o s tc o n v e r t e 图2 6 电流波形图 f 培2 6t h ew a v e f o r mo f c u r r e n 由于这个变换器以电感电流作为控制量，所以通常称其为电流控制型升压变 换器。变换器主电路根据受控开关s 的开、闭状态，可用分别用下面的状态方程 描述： j = 4 1 x + b i e ，( n 五f 哦，上、下限比较器均输出低电平，此时s = o 、q = 1 、西= 1 。这 个过程r 端的电平高低不影响触发器的状态，即无论是否有控制脉冲信 号到来，变换器都保持原来的状态。 较器输出高电压，r s 触发器翻转， 直到l ，1 。的一瞬间，上限电流比 q = 1 ，亘= o ，此时r = o ，开关管断 开，电感电流线性下降，当下个控制脉冲到来或者电感电流t ，。而引起下 限比较器输出高电平的时候，r 跃变为l ，触发器就会翻转，进而使开关管重 新闭合，电路进入下一个状态。 以上分析可知图4 1 与图3 1 拓扑图的控制逻辑完全一致。 与第三章的新型开环d c d cb o o s t 型变换器相比，本节研究的闭环变换器只 是在上下限控制电流上多考虑了输出电压的因素。引入电压负反馈，反馈电 压经过误差放大电路反相输出后，叠加到调节电感电流的上、下限控制 电流上，使它们在小的范围内与电压波动反向的变化，进而使输出电压 保持稳定。 电路运行中的控制脉冲是由图4 4 所示的5 5 5 定时器构造的占空比 可调的方波发生器产生。此处脉冲频率选取1 0 k h z ，与电路拓扑图保持 一致。 图4 4 占空比可调的方波发生器 f i g 4 4d u t yr a t i oa d j u s t a b l es q u a r e w a v eg e n e r a t o r 根据方波发生器震荡频率的经验公式 1 4 3 r 一 。 ( 马+ r ) c 1 ( 4 5 ) 此处选择r l = 7 2 3 1 q ，r 2 = 1 3 7 1 k q ，则输出方波的频率约为1 0 k h z 此时占空比为： g = 置( 且+ r ：) “5 ( 4 6 ) 对图4 1 所示的电路进行仿真，考虑到试验室现有的设备情况，设 郑州大学工学硕士论文 置元件参数时尽量选用现有的元件的参数，本文选定开环上下限控制电 流m 、，r 口分别为o - 3 1 4 、o 4 9 爿，则其比值为k = o 6 3 2 。对比图 3 1 ，即比例系数足= o 6 3 2 。若r 。、恐，均选用2 足q 的电阻，根据以上 的分析应该有r 。= 3 6 8 q 。考虑到实际的电阻本身的阻值误差较大，为减 少相对误差，加法器、倒向比例器以及比较器上使用的电阻阻值均选用 4 7 世q ，而且选用大阻值的电阻还有助于降低损耗。 4 2 新型闭环d c d cb o o s t 变换器电路的p s p l c e 仿真 用p s p ic e 软件对图4 1 进行仿真，仿真图如图4 3 所示。图中元器 件的参数均参照上节的分析结果。调整仿真图的组合参数，使电路在保 持电压输出的同时工作在不同的状态。这里选，蛐= o _ 3 1 爿、= o 4 9 4 ， 则，：，h = 0 6 3 2 。即对应原理图3 1 中的比例系数墨= o 6 3 2 。 同步调节r 、r ，。即可以改变对应与图3 1 中的k 值。相应的改变参 考电压，在保证平均电压输出相同的情况下调节电路的工作状态。可以 得到图4 5 中各种工作状态下电感电流的波形，图4 6 为各状态对应的相 图。 这个结果也证明了图4 1 与图3 1 中的电路是等价的。图4 5 中各状 态的平均输出电压均为1 0 3 4 v 。 其中： 图4 5 ( a ) 为周期1 状态时的电流波形图( r = 4 0 ，r 。，= 一15 v ) ； 图4 5 ( b ) 为周期一2 状态( r = 5 2 ，= 一l5 5 v ) ； 图4 5 ( c ) 为周期4 状态( r = 6 0 ，已= 一15 8 v ) ； 图4 5 ( d ) 为混沌状态( r = 6 4 ，= 一1 6 2 v ) 。 各状态对应的频谱图如图4 7 所示。可以看出，周期状态下电流的频 谱是一个以厂= 1 ，为基频分量的离散谐波( t 为波形的周期) 。各次谐波分 量的频率分量的频率分别等于女r ，七= 2 ，3 ，。 随着分叉深度的增加，周期信号的频谱中的离散谱线数量增加，大多 数谱线幅值降低。 当电路工作在混沌状态时，此时周期无穷大，频谱连续化。图4 7 f d l 中可以很清楚的看到这个特征，而对应与周期状态下的各频率处的谱线 幅值也有大幅的下降。 为定量比较分叉深化过程中各状态的电磁干扰影响较大的谱线的平 混沌控制降低新型闭环d cb o 嘲变抉器电磁干扰水平研究 图4 5 各工作状态的输入电流波形 f i 9 4 5 t h ei n p u tc u r r e n tw a v e f o r mi nd i f f e r e n ts t a t e 一4 1 图4 ，6 各个工作状态下对应的相图 f i g 4 6t h ep h a s ep o r t r a i ti n d i 圩h e n ts t a t e - 4 2 图4 7 各工作状态下电感电流的频谱 f i g 4 7 t h es p e c t r u mo fi n d u c t o rc u r r e n ti nd i f f 色r e n ts t a t e - 4 3 郑州大学工学硕士论文 均幅值的降低情况，仍然采用上一章的比较方法。设 p ( n ) = 击只，”j ( 4 7 ) o m l 其中( 只是周期n 时的第m 次谐波幅值) ，取三= 1 0 l g p ( n ) ，分别比较 周期l 状态与其他状态下的l 值，可得到表一4 1 中的数据【4 6 ，4 8 1 。 考虑电流频谱的谐波特征与电磁干扰的对应关系，可以得到这样的 结论：比起传统开关电源的周期状态，混沌状态下电路能有效的降低电 磁干扰水平。根据这个特性，如果让变换器工作在预期的混沌状态，则 可以有效的降低频谱中各谐波分量的的幅值。进而降低变换器的电磁干 扰水平。 表4 1 倍周期分叉各状态的降低e m i 效果比较 t a b 4 1t h ee m id e p r e s se f f c c ti nd i f h r e n ts t a t eo fp o r i o d d o u b l i n gb i f 、l r c a t i o n 周期( n ) 周期2周期4混沌 i 比周期1 降低的分贝 2 251 3 i 数 4 3 闭环电路输出电压的稳定与调节 上一节对新型闭环b o o s t 型变换器进行了仿真试验：固定上下限控 制电流，通过改变参考电压和反馈系数k ，使电压稳定输出时工作在不 同的状态。各状态的电流频谱分析比较证明，混沌工作状态下的变换器 能够有效的降低电磁干扰的水平。同时，由于引入了反馈电路，变换器 输出电压的稳定性也得到了进一步的改善。 仿真还发现，这个结构的变换器同样可以满足输出电压连续可调的要求， 这对于现实中的开关电源也是有实际意义的。仿真中当同幅度、同步、同方向地 调节上下限控制电流时，输出电压的变化趋势与参考电压的增减是一致的。 这个规律也为输出电压的调节提供了依据。 表4 2 中可以看出，输入电压为直流4 v ，上下限控制电流分别是2 2 a 和o 9 a 一一_ 时，电路工作在混沌状态。同时以0 2 a 的增量提高上下限控制电流，输出电压 持续上升，变换器在反馈电路的作用下，依然能保持工作在混沌状态。 表4 2 变换器同时改变电流上、下限的运行状态 f i g 4 2t h es t a t eo fc o n v e r t e rw h e nc h a n g i n gt h em a x i m u m - m i n i m u ml i m i t e dc u r r e n t a t t h es a m e t i m e 上限电流( a ) 下限电流( a )输出电压平均值( v )开关状态 2 2o 91 1 7混沌 2 41 11 2混沌 2 61 31 2 4 8混沌 2 81 51 3 1 2 混沌 3 01 71 3 4 4 混沌 3 21 91 3 7 混沌 3 42 ，l1 4 1 7混沌 3 62 31 4 5 1 混沌 3 82 51 4 8 4 混沌 4 02 71 5 2 混沌 图4 8 闭环电路混沌状态下的平均输出电压 f i g 4 7t h ea v e r a g eo u t p u tv 0 1 t a g ei nc h a o t i cs t a t eo fc l o s e dl o o pc o n v e r t e r 图4 9 开环电路混沌状态下的平均输出电压 f i g 4 8t h ea v e r a g eo u t p u tv o l t a g ei nc h a o t i cs t a t eo fo p e n - l o o pc o n v e r t e r 实际中输出电压波动通常是由于输入电压或者负载变化引起的，为了证明这 个电路的稳压的性能。本节分别对开环状态下改变负载电阻和输入电压波动时引 起的输出电压的波动情况与闭环状态做一对比，从中可以清楚看出这一趋 势。 “ 仿真中，当电路运行2 5 m s 进入稳态时，负载电阻由2 3q 切换到3 0 q 。 从图4 8 中可以清楚看出，由于负反馈的作用，上下限控制电流受输出电压 的控制并向电压波动趋势相反的方向跟踪变化，因此保持了输出电压的 相对稳定，平均输出电压显然要平稳的多。 而图4 9 所示的开环混沌状态下的平均输出电压随着负载的变化则 有明显的波动。仿真数据显示，负载电阻变化引起的输出电压波动开环时 达3 2 ，而闭环时仅为1 。显而易见。闭环状态下的电路比开环时有明 显的稳压优势。 为了验证闭环电路对输入电压波动的抑制效果，可以用一个阶跃电 压源来模拟实际中的输入电压波动对输出电压的影响力度。仿真结果如 图4 1 0 、4 1 1 所示。 图中显示的是开环和闭环电路在2 5 m s 进入稳态时，输入直流电源电 压从4 v 跃变为4 5 v 的电压输出波形。图中可以很清楚的看出闭环电路 的稳压效果。最终的数据显示，开环状态下由于输入电压的升高输出电 压提高了约5 ，而闭环状态下的变换器的变化则为3 。闭环状态的稳压 效果同压比较明显。 这也证明了闭环系统对输出信号与生俱来的稳定特性。 一一一一一一一一一 图4 1 0 闭环状态下输出电压平均值变化曲线 f i 9 4 9t h em o v e m e n tg r a p h i co f 也eo u t p u ta v e r a g ev o n a g eo fo p 蛐c l o s e dc o n v e n e r 图4 1 l 开环状态f 输出电压平均值变化曲线 f i 9 4 1 0t h em o v e m e l l tg r a p h i co f t h eo u t p u ta v e m g ev o l t a g eo f o p e nc l o s ec o n v e 咖r 4 4 本章小结 本章在参照第三章新型闭环变换器的电路拓扑图，设计了一个可以满足控制要 求的p s p i c e 电路。电路仿真证明：选择合适的元器件参数，这个电路完全能够重现 拓扑电路中的控制规律，在保证输出电压相同的情况下，变换器同样能工作在不同 的工作状态。仿真结果表明，工作在混沌状态下的新型闭环变换器，不仅保留了开 环变换器在降低电磁干扰水平方面的优势，而且还具有保持输出电压稳定的优点， 因而比改进前更有实用价值。所得的试验数据也可以为具体试验提供参考。 一一 郑州大学工学硕士论文 第五章结论与展望 传统的解决开关电源电磁干扰的方法，如滤波、接地、屏蔽等尽管 均有良好的效果，但其思想方法是被动的。近年来有关采用随机开关控 制、软开关技术等从机理上主动降低e m i 的研究取得了很大的进展，尤 其是用混沌现象降低噪声研究的出现，为开关模式电源从机理上主动降 低e m i 水平开辟了一条新的技术途径。这一思路是利用混沌信号的类似 随机性特点，使周期信号能量集中的离散频谱变为连续平滑频谱。将集 中的能量展宽，用于消除频谱尖峰以实现降低e m i 的目标。 本文在新型开环d c d cb o o s t 变换器的基础上，分析比较了闭环情 况下工作在周期、倍周期、混沌状态下输入电感电流的频谱特征。最终 证明了工作在混沌状态下的变换器可以有效的降低电磁干扰的水平。同 时由于闭环电路有较好的稳压性，其实用价值得到进一步提高。论文的 主要工作和结论有： 1 验证了混沌控制降低d c d cb o o s t 变换器电磁干扰的优越性。 通过对比分析变换器在周期状态与混沌状态下的频谱特征。证明了 混沌状态下原型和新型d c d cb o o s t 变换器由于其频谱的连续性特征， 电磁干扰水平比周期状态下的变换器大幅降低；同时新型变换器不仅保 留了原型变换器平滑频谱、降低e m i 水平的优势，而且还改善了变换器 信号频谱低频部分的局部结构，使输入电流频谱总体分布更加合理。 2 新型闭环d c d cb o o s t 变换器设计 在原来的基础上，加上电压反馈回路，闭环的电路不仅保留了开环 状态时电路平抑电磁干扰的优点，同时也可以提高输出电压的稳定性。 仿真分析表明：改进后的电路能够满足预期的要求 3 新型闭环d c d cb o o s t 变换器仿真实验 在第三章变换器拓扑电路图的基础上，用p s p i c e 软件设计了一个实 验电路。且仿真不失一般性：选择合适的电路参数，电路可以在保持输 出电压稳定的前提下，工作在各种工作状态。仿真的结果进一步证实了 混沌控制降低新型闭环d c ，d cb o o s t 变换器电磁干扰水平研究 新型闭环变换器降噪和稳压的双重优点，同时也为具体的实验提供了数 据参考，当然也证明了这一电路拓扑模型的合理性。 由于本文只是为了说明混