利用开关电源中的混沌现象降低电磁干扰的研究

论文摘要

开关稳压电源具有体积小、效率高、重量轻、响应速度快和工作可靠等优点,被广泛应用于航空航天、计算机、通信、军事以及能源等领域。然而,开关稳压电源工作频率的提高虽可以令电源体积减小、重量减轻,但却使开关损耗增大,效率降低,并且使电源的电磁干扰现象突出起来。电磁干扰,是指由电磁骚动引起的设备、传输通道和系统性能的下降。因为开关稳压电源中的电子器件工作在开关状态而不是线性状态,因此在电子器件开通和关断的瞬间,特别是在大功率应用场合,电压的变化率和电流的变化率的值很大,因而产生强烈的电磁干扰。又因为开关稳压电源工作在高频状态下（一般在20KHz-1MHz）,当开关稳压电源正常工作时,其工作频率就在传导电磁干扰的范围内（9KHz-30KHz）,所以整个开关稳压电源就成为一个干扰源,给电路带来严重的电磁干扰问题,并影响周边电子设备的正常工作。解决电源的电磁干扰的传统方法主要有滤波、接地、旁路、去耦合、屏蔽等,都是从截断电磁传播的途径入手,其思想是被动的。混沌是一种普遍存在的非线性现象,它指一种确定的但不可预测的运动状态。由开关稳压电源工作原理可知,根据调整管闭合和断开的状态不同,开关稳压电源的拓扑结构也不同,也就是说,正常工作的开关稳压电源其电路结构总是在两个或三个不同的拓扑结构之间重复变化的,因此,开关稳压电源是一个复杂的时变非线性系统。随着电子技术的迅速发展,人们对开关稳压电源有了更深入的认识,进而发现开关稳压电源中有着丰富的分岔、拟周期运动、混沌等非线性现象。通常的做法是消除其中的非线性现象,能否利用其非线性现象呢?传统的开关稳压电源工作在周期状态,在其工作的频率及基频的整数倍频率点上,开关稳压电源的电磁辐射是很强的,尤其是当开关稳压电源工作在高频状态时。从混沌动力学理论可以知道,混沌信号的功率谱是连续的,在信号总能量相同的前提下,混沌信号与周期、拟周期信号相比,在频域范围内能量分布相对比较均匀,谱峰较低。这就启发人们利用开关稳压电源中的混沌现象来降低其电磁干扰。本文以一个峰值电流型控制升压变换器为例,利用仿真实验法从理论分析和Matlab实验仿真两个方面证实了开关稳压电源中的分岔及混沌现象的存在,并分别分析了工作在周期状态下和混沌状态下的电感电流的功率谱,通过定性及定量的比较证实可以利用混沌降低开关稳压电源的电磁干扰水平。这种仿真实验法可以简单有效地判断混沌及其参数,并为下一步的电路测试提供依据。仿真实验法采用了模程混合建模仿真方法。建立仿真模型时,主电路利用matlab现有的电力电子模型,代表真实电源的同时,简化了主电路；控制电路采用编程方法实现对主电路开关器件的精确控制,同时能更好的反映开关电源中混沌现象及利用混沌降低电磁干扰的结论。本文在第一章介绍了开关稳压电源中的非线性现象及利用混沌现象降低开关稳压电源电磁干扰水平的原理,并介绍本课题的研究现状与研究意义。第二章介绍混沌学的基础知识。第三章介绍混沌的辨识方法和控制方法；第四章介绍开关稳压电源的仿真软件和仿真方法。第五章以峰值电流型升压变换器为例,进行仿真证实了利用混沌现象降低开关稳压电源电磁干扰；第六章对全文的主要工作做了总结,并简单介绍了利用混沌现象降低开关稳压电源电磁干扰的方法存在的困难及未来的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 开关稳压电源
• 1.2 开关稳压电源中的电磁干扰
• 1.3 电磁兼容性
• 1.4 混沌
• 1.5 开关稳压电源中的混沌现象
• 1.6 利用混沌降低电磁干扰
• 1.7 课题研究现状
• 1.8 论文主要工作及内容安排
• 第二章 混沌学基础
• 2.1 混沌学的基本概念及特征
• 2.1.1 混沌的定义
• 2.1.2 混沌学基本概念
• 2.1.3 混沌基本特征
• 2.2 系统的稳定性
• 2.2.1 李亚普诺夫稳定性
• 2.2.2 李亚普诺夫稳定性基本定理
• 2.3 分岔
• 第三章 混沌的辨识与控制方法
• 3.1 混沌的辨识
• 3.1.1 理论分析法
• 3.1.2 实验观察法
• 3.2 混沌的控制
• 3.2.1 混沌的控制方法
• 3.2.2 混沌的反控制方法
• 第四章 开关稳压电源的仿真方法
• 4.1 仿真软件
• 4.2 开关稳压电源离散数学模型的建立方法
• 4.3 开关稳压电源的仿真方法
• 第五章 利用混沌现象降低开关稳压电源EMI的仿真
• 5.1 峰值电流型升压变换器开环模型的建立及仿真
• 5.1.1 峰值电流型升压变换器的工作原理
• 5.1.2 峰值电流型升压变换器的开环模型
• 5.1.3 峰值电流型升压变换器的开环模型的MATLAB仿真
• 5.2 峰值电流型控制升压变换器闭环模型的建立及仿真
• 5.2.1 峰值电流型升压变换器的闭环电路
• 5.2.2 峰值电流型控制升压变换器的闭环模型
• 5.2.3 峰值电流型升压变换器的闭环模型的MATLAB仿真
• 5.3 仿真的结果分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表