软开关变换电路离散映射建模方法及非线性行为研究

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1、中文摘要摘要在电力电子功率变换电路中，通常采用两种形式的开关模式，即硬开关变换模式与软开关变换模式。硬开关模式通过突变的开关过程中断功率流来完成能量的变换过程，而软开关则通过利用功率流的自然过零时刻来实现能量的柔性变换过程。由于开关器件在零电压或零电流的条件下完成其导通、关断过程，开关器件的开关损耗理论上为零。而且，由于开关器件工作于零电压或零电流开关条件下，使得变换电路的开关损耗和开关噪声可以减小到最小限度。因此，软开关功率变换电路在近十年来得到了广泛的应用，已成为电力电子功率变换电路的主流和发展方向。然

2、而，在软开关变换电路的运行中，时常会出现一些不规则现象，例如临界运行状态突变、不明电磁噪声、系统运行的频率不稳定以及无法按设计要求进行工作等。已有的研究表明，其中部分奇异或不规则现象是软开关变换电路的固有非线性特性——分岔现象和混沌现象的一种外部表现，进入混沌运动的不确定性将导致系统的运行状态无法预测和控制，从而使开关变换电路的性能受到极大的影响，甚至完全无法工作。本文围绕软开关变换电路的非线性建模及动力学行为研究，主要进行了以下几个方面的工作：1系统分析了现有各种软开关变换电路类型及其相应的工作模式，归纳

3、了软开关电路系统特性，即高维、自治分段以及状态变量的振荡特性。这些特性使得软开关电路系统呈现出完全不同于硬开关电路系统的动力学行为。2基于对软开关电路系统动力学行为的理解，提出一种精细时域离散映射数值建模方法，解决了传统离散映射方法不能直接应用于软开关电路的问题。同时针对精细离散映射模型在跨边界映射时引入误差，基于伽辽金方法，提出了一种离散映射的修正方案。最后以多谐振(MRC)软开关电路作为算例进行了数值仿真，仿真结果通过解析精确建模方法进行了验证。3针对精细时域离散映射数值建模方法存在物理意义不清晰，数值

4、计算工作量较大等不足，通过结合解析建模与边界条件的数值求解，提出了一种广义离散映射建模方法，该方法是一种半解析、半数值建模方法，不仅适用于软开关电路系统，而且可以推广到具有自治分段特性的一般振荡系统。此外，针对自治分段系统的非线性动力学行为研究，基于离散映射的不动点理论，提出了该广义离散映射模型的稳定性判据。最后，通过在具体电路中的仿真分析及实验观察验证了该建模方法及相应的稳定性判别方法。4基于这种广义离散映射模型对负载谐振型全桥软开关电路中所出现的频率跃变现象进行了研究，并利用相应的稳定性判别方法对该跃变

5、现象进行了分析，重庆大学博士学位论文结果表明频率跃变现象是在系统闭轨失去稳定性后，状态流转向邻域内其它闭轨所产生的分岔现象。基于电路阻抗的分析结果表明，系统的电路阻抗随着负载变化出现多零相位角频率是造成该现象的主要成因。最后，通过搭建实验平台进行了观测，结果验证了该频率跃变现象的存在。5针对负载谐振软开关电路系统启动过程中出现的波形畸变现象，通过对比了在两种激励方式下系统的启动过程，并利用广义离散映射方法分别为其进行了建模。在仿真中，观察到随着系统品质因数的降低而出现断续分岔现象，经过分析结果表明，该分岔现

6、象归因于系统在临界值附近出现的多极限环现象。最后，通过实验观察结果验证了这一分岔现象。本论文的主要创新性贡献1．针对软开关电路系统的自治分段振荡特性，提出一种精细时域离散映射建模方法及其相应的修正方案，解决了传统离散映射方法不能应用于软开关电路系统建模的问题。2．针对精细时域离散映射模型物理意义不直观，数值计算工作量大等不足，提出一种广义离散映射建模方法，并将该方法推广于一般具有自治分段特性的振荡系统。3．基于广义离散映射模型，就负载谐振型全桥软开关电路中所出现的频率跃变现象内在机理进行了研究，发现该现象的

7、产生根源于系统周期闭轨失去稳定性，而周期闭轨失去稳定性的主要成因在于系统电路阻抗中多零相位角频率的出现。关键词：软开关变换电路、离散映射建模、频率跃变、断续分岔Ⅱ英文摘要ABSTRACTInpowerelectronicscircuits,therearemainlytwoswitchingmodes，namedhardswitchingmodeandsoftswitchingmode．Thehardswitchingmoderealizesenergytransformationwithaidofabru

8、ptchangeofpowerflow．AndthesoftswitchingmoderealizesflexibleenergytransformationwimaidofnaturAAze∞crossingpointsofpowerflow．Forswitchingcomponentsswitchingatthez哪voltageorZga'Ocurrentpoints。theswitchinglosswil