带忆阻负载的电流型DC-DC变换器动力学分析

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忆阻器,顾名思义就是一种具有记忆功能的非线性电阻,因其尺寸小、低能耗和非易失性等特点被广泛的应用于各种电路研究中。忆阻器的出现给各种电子电路的设计创造了全新的发展空间,极大地冲击了传统的电路格局。为了充分利用忆阻器的优势特点,本文将忆阻器作为一种新型负载应用到传统的电流型DCDC变换器中,研究了忆阻器构成参数对变换器动态特性的影响,并基于斜坡补偿控制技术对带忆阻负载的DC-DC变换器实施了周期镇定控制。具体的研究工作如下:(1)在PSIM仿真软件平台搭建了一个电压型忆阻器等效实现电路,并通过电路仿真得到了该忆阻器的伏安特性曲线,结果表明该电压型忆阻器满足忆阻器的基本特性,可以用于研究忆阻电路。(2)研究了带忆阻负载的峰值电流型Buck变换器的动力学特性,并推导了工作于连续导通模式(CCM)下忆阻Buck变换器的开关条件和归一化系统模型。在此基础上,对其进行了动力学分析,发现随着参考电流的增加,系统在平面相图上呈现出周期1的闭合轨道、混沌吸引子。随后,通过分岔图发现,Buck变换器在携带忆阻负载运行时的倍周期分岔点相较于携带纯电阻负载来说有明显滞后,即忆阻型Buck变换器的稳定周期1区间更宽。文章接着对该忆阻型Buck变换器输出电压的做了分析,与携带电阻负载的情况不同,仿真结果发现Buck变换器的输出电压主要受忆阻器构成参数的影响,而变换器输入电压的变化对其影响不大。(3)基于传统的电流型Cuk变换器,采用电压控制的忆阻器作为负载构建了一种新颖的非线性切换电路。运用常见的混沌动力学分析方法,分析了系统的动力学现象,发现系统也是通过倍周期分岔和边界碰撞分岔两种分岔路由进入混沌状态的。通过占空比的分岔图分析发现系统都是在占空比约为0.5发生的倍周期分岔。进一步的,基于能量守恒推导出了系统在临界发生倍周期分岔时电路各个参数的表达式,得到了变换器关于参考电流、输入电压和忆阻参数三个主要参数的稳定参数域。随后,本文在忆阻型Cuk变换器的控制电路中加入斜坡信号发生器,讨论了不同斜率的补偿信号对变换器的镇定效果,结果表明斜坡补偿控制对Cuk变换器中的混沌状态有明显的改善作用,可以扩大变换器的单周期运行区间,同时减小输出纹波。最后对变换器进行了PSIM电路仿真,得到的实验结果与MATLAB数值分析结果保持一致。
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