CN108539972A - 一种带有忆阻负载的Boost变换器电路 - Google Patents

一种带有忆阻负载的Boost变换器电路 Download PDF

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Abstract

一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，包括Boost变换器电路，所述Boost变换器的电压输出端并联连接压控电流源，所述压控电流源中的电压控制侧的电压输入端连接忆阻电路的输出端，所述压控电流源的电压控制侧的电压与电流控制侧的电流之比为1：1。本发明的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，将忆阻电路应用到Boost变换器中，实现带忆阻电路的非线性切换电路，从而构建了一种新颖的电路拓扑，一方面可以激发新的混沌现象，获得新型动力学特性，另一方面，改变了升压机制。

Description

一种带有忆阻负载的Boost变换器电路
技术领域
本发明涉及一种升压变换器。特别是涉及一种带有忆阻负载的Boost变换器电路。
背景技术
电力电子变换器的广泛应用，给工业领域和生活的各个方面带来了诸多便利。它通常用于电力转换，如光伏系统，电动汽车或其他DC/DC转换等。由于DC/DC变换器是功率变换中常用的拓扑结构，因此，自混沌现象在电力电子变换器中被发现以来，引起了国内外学者的关注，激发了电力电子变换器的混沌现象的研究热潮。国内外学者们对不同控制方法、拓扑、负载或者应用下的非线性行为进行了广泛的探讨。近年来，学者们研究了DC/DC变换器在电压或电流模式控制、PI控制、固定关断时间控制和常数导通时间控制等方法下的DC/DC变换器的非线性动态特性。由于电力电子变换器的应用十分广泛，国内外学者对于在不同的应用条件下的DC/DC变换器的动力学特性也分别进行了研究，如光伏发电系统，电动汽车等等。实际上，DC/DC变换器供给的负载类型不同，对系统的非线性动态的影响也是不一样的。DC/DC变换器在分析的时候经常采用电阻或电感等普通的负载进行分析。
忆阻器的发明推动了非线性混沌系统的进一步发展，自从2008年惠普实验室在Nature上发表的一篇文章实现了忆阻器的第一个近似物理模型，引起了国内外学者对忆阻器的广泛关注。目前为止，忆阻器已被应用于混沌电路中。其中，忆阻器代替蔡氏电路中的蔡氏二极管产生了新的混沌现象，LC串联忆阻器也可以产生新的混沌现象。同时，也有文献表明忆阻器可应用于带通滤波器、模拟滤波器和增益放大器也可以产生新的混沌现象。Christos K.Volos将忆阻器应用于一个带并联RC滤波器的二极管桥，介绍了一种新的混沌电路。但是未见将忆阻作为负载应用于电力电子变换器中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够改变升压机制，获得新型动力学特性的带有忆阻负载的Boost变换器电路。
本发明所采用的技术方案是：一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，包括Boost变换器电路，所述Boost变换器的电压输出端并联连接压控电流源，所述压控电流源中的电压控制侧的电压输入端连接忆阻电路的输出端，所述压控电流源的电压控制侧的电压与电流控制侧的电流之比为1：1。
所述的忆阻电路包括有5个运算放大器、12个电阻、1个电容和1个乘法器，其中，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻以及电容依次串联连接，第七电阻与第八电阻联连接，所述第一电阻和第七电阻的输入端连接忆阻电路的场输出端，第一电阻的输出端还连接第一运算放大器的反向输入端，所述第一运算放大器的输出端连接第三电阻的输入端，所述第一运算放大器的正向输入端接地，所述第三电阻的输出端还连接第二运算放大器的反向输入端，所述第二运算放大器的输出端连接第六电阻的输入端，第二运算放大器的反向输入端还通过第五电阻连接Boost变换器电路的电压输出端，第二运算放大器的正向输入端接地，所述第六电阻的输出端还连接第三运算放大器的反向输入端，电容和第三运算放大器的输出端构成忆阻电路的场输出端，第三运算放大器的正向输入端接地，所述第七电阻的输出端还连接第四运算放大器反向输入端，第八电阻的输出端和第四运算放大器输出端共同连接乘法器的输入端，所述第四运算放大器正向输入端接地，所述乘法器的输出端通过第十一电阻分别连接第十二电阻的一端以及第五运算放大器反向输入端，所述乘法器的电压输入端连接Boost变换器电路的电压输出端，所述第十二电阻的另一端和第五运算放大器的输出端共同构成忆阻电路电压输出端连接所述压控电流源的电压控制侧的电压输入端，所述第五运算放大器的正向输入端接地。
所述的第第四运算放大器的正向输入端通过第十电阻接地，第四运算放大器的正向输入端还依次通过第九电阻和直流电源接地。
所述的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器和第五运算放大器的电源输入端均连接15V电源。
本发明的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，将忆阻电路应用到Boost变换器中，实现带忆阻电路的非线性切换电路，从而构建了一种新颖的电路拓扑，一方面可以激发新的混沌现象，获得新型动力学特性，另一方面，改变了升压机制。具有如下优点：
1、将忆阻作为负载应用在升压变换器中，与传统的电压负载升压变换器相比较而言，将二维线性切换系统转换为三维非线性切换系统。
2、利用压控电流源VC辅助搭建了带忆阻M负载的升压变换器的电路，从而使得升压变换器对忆阻M负载的有效控制。
3、由于忆阻电路的本构关系是非线性的，忆阻负载的引入，可以产生新的混沌现象。
4、忆阻电路的引入，改变了升压变换器的升压机制，它主要取决于忆阻的参数。
附图说明
图1是本发明一种带有忆阻负载的Boost变换器电路的电路原理图；
图2是本发明的忆阻电路的电路原理图；
图3是本发明中电容电压v和电感电流i的周期变化趋势图；
图4a是本发明中变量的相图；
图4b是本发明中变量i-vM的相图；
图4c是本发明中变量的相图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路做出详细说明。
本发明的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，是将Flux-controlled型忆阻器应用到升压变换器中，实现带忆阻器的非线性切换电路，从而构建了一种新颖的电路拓扑，一方面可以激发新的混沌现象，获得新型动力学特性，另一方面，改变了升压机制。本发明所用到Flux-controlled的忆阻器是利用压控电流源的控制特性实现的。
如图1所示，本发明的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，包括Boost变换器电路，所述Boost变换器的电压输出端并联连接压控电流源VC，所述压控电流源VC中的电压控制侧的电压输入端Vim连接忆阻电路的输出端，所述压控电流源VC的电压控制侧的电压与电流控制侧的电流之比为1：1。
所述的Boost变换器电路由直流电源VI、电感L、电容C和开关S组成主电路，再用比较器UC、时钟脉冲Clock和同步RS触发器构建一个闭环电流控制器，控制CMOS开关管S的开关动作。直流电源VI的正极与电感L的一端相连接，电感L的另一端与CMOS开关管S的漏极、电容C的一端和压控电流源VC的正极相连接，直流电压源VI的负极与CMOS开关管S的源极、电容C的另一端、压控电流源VC的负极和压控电流源VC控制端的负极连接，并接地。压控电流源VC控制端的正极为Vim的输入端，将电压信号转换为等值得电流信号iM。
所述控制电路，对电感电流i进行采样并从比较器UC的正输入端输入，参考电流iref通过比较器UC的负输入端输入，比较器的电压输出端与RS触发器的R端相连，时钟脉冲Clock与RS触发器的S端相连，RS触发器的Q端与开关S的触发端相连。
所述的忆阻电路是根据忆阻M的本构关系，利用第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、乘法器A以及第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和电容CM构建忆阻电路。
如图2所示，本发明所述的忆阻电路包括有5个运算放大器U1～U5、12个电阻R1～R12、1个电容Cm和1个乘法器A，其中，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及电容Cm依次串联连接，第七电阻R7与第八电阻R8串联连接，所述第一电阻R1和第七电阻R7的输入端连接忆阻电路的场输出端第一电阻R1的输出端还连接第一运算放大器U1的反向输入端，所述第一运算放大器U1的输出端连接第三电阻R3的输入端，所述第一运算放大器U1的正向输入端接地，所述第三电阻R3的输出端还连接第二运算放大器U2的反向输入端，所述第二运算放大器U2的输出端连接第六电阻R6的输入端，第二运算放大器U2的反向输入端还通过第五电阻R5连接Boost变换器电路的电压输出端vM，第二运算放大器U2的正向输入端接地，所述第六电阻R6的输出端还连接第三运算放大器U3的反向输入端，电容Cm和第三运算放大器U3的输出端构成忆阻电路的场输出端第三运算放大器U3的正向输入端接地，所述第七电阻R7的输出端还连接第四运算放大器U4反向输入端，第八电阻R8的输出端和第四运算放大器U4输出端共同连接乘法器A的输入端，所述第四运算放大器U4正向输入端接地，具体是所述的所述第四运算放大器U4的正向输入端通过第十电阻R10接地，第四运算放大器U4的正向输入端还依次通过第九电阻R9和直流电源P接地。所述乘法器A的输出端通过第十一电阻R11分别连接第十二电阻R12的一端以及第五运算放大器U5反向输入端，所述乘法器A的电压输入端连接Boost变换器电路的电压输出端vM，所述第十二电阻R12的另一端和第五运算放大器U5的输出端共同构成忆阻电路电压输出端Vim连接所述压控电流源的电压控制侧的电压输入端Vim，所述第五运算放大器U5的正向输入端接地。
本发明中所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4和第五运算放大器U5的电源输入端均连接15V电源。
本发明的实施例中，R2＝50K，R1＝10K，R3＝10K,R4＝10K,R5＝10K,R6＝10K,R7＝10K,R8＝10K,R9＝10K,R10＝10K,R11＝10K,R12＝10K,Cm＝10uF。其中，第一运算放大器U1和第一电阻R1、第二电阻R2构成反向放大电路；第二运算放大器U2和第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5构成反向加法电路；第三运算放大器U3和第六电阻R6、电容Cm构成积分电路；第四运算放大器U4和第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10构成减法运算电路；乘法器A用来实现乘法运算；第五运算放大器U5和第十一电阻R11、第十二电阻R12构成反向放大电路。
第一运算放大器U1的输出电压为：
第二运算放大器U2的输出电压为：
第三运算放大器U3的输出电压为：
第四运算放大器U4的输出电压为：
乘法器A的输出电压为：
第五运算放大器U5的输出电压为：
下面结合附图对本发明的带有忆阻负载的Boost变换器电路进行进一步说明
图3给出了电路运行过程中的电感电流i和电容电压v的变化趋势。一个周期Tn分为开关导通时间段Ton和开关关断时间段Toff。在开关导通区间Ton，RS触发器发出高电平脉冲信号，二极管D承受反向电压截止，直流电源VI和电感L，电容C和忆阻电路分别形成两个独立的支路，直流电源VI给电感L充电，电感电流i上升，电容C给忆阻电路供电，电容电压v下降。在开关关断区间Toff，RS触发器发出低电平脉冲信号，CMOS开关管S关断，二极管D承受正向电压导通，直流电源VI和电感L同时给电容C、忆阻电路供电，此时，电感电流i下降，电容电压v上升。
本发明的忆阻电路采用Flux-controlled型忆阻器，vM表示忆阻的电压，iM表示忆阻电流，它们之间的关系为：
其中，表示忆阻器是Flux-controlled型忆阻。忆阻的一般定义为它满足：
其中，f(·)和g(·)表示忆阻的内部状态方程。
根据基尔霍夫电压、电流定律可得：
CMOS开关管S导通：
CMOS开关管S断开：
其中系数r，p，m，n均为忆阻电路内部状态方程的参数。由于忆阻电路与电容C是并联关系，忆阻电路电压vM与电容电压v相等，即输出电压。
利用公式(2)可得：
利用公式(3)可得：
利用公式(6)可得：
令可得该电路的静态工作点：
即Boost变换器的输出电压vM和忆阻场输出端由系数r，p，m，n决定。但是随着CMOS开关管S的开关动作，电压vM和忆阻场输出端会上在静态工作点附近上下波动。
设定参数r＝1，p＝2，m＝1，n＝5，那么根据工作静态点计算公式(5)可知静态工作点时，电压vM＝10V，忆阻场输出端
本发明实施例中，将电路参数设定为：时钟频率f＝50K HZ，电感L＝0.5mH，电容C＝10uF，直流输入电源VI＝5V，参考电流Iref＝0.5A。本发明电路的Multisim仿真结果即本发明的电路产生混沌时的相图如图4a、图4b、图4c所示，分别为相平面，i-vM相平面以及相平面。由图4a的横坐标和纵坐标可知，电压vM和忆阻场输出端在静态工作点(vM＝10， )附近上下震荡，升压比可达1:5。由此可见，本发明既可以产生新的混沌现象，又改变了升压机制，结合公式(14)可知其升压比由忆阻的参数决定。

Claims (4)

1.一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，包括Boost变换器电路，其特征在于，所述Boost变换器的电压输出端并联连接压控电流源(VC)，所述压控电流源(VC)中的电压控制侧的电压输入端(Vim)连接忆阻电路的输出端，所述压控电流源(VC)的电压控制侧的电压与电流控制侧的电流之比为1：1。
2.根据权利要求1所述的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，其特征在于，所述的忆阻电路包括有5个运算放大器(U1～U5)、12个电阻(R1～R12)、1个电容(Cm)和1个乘法器(A)，其中，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)以及电容(Cm)依次串联连接，第七电阻(R7)与第八电阻(R8)联连接，所述第一电阻(R1)和第七电阻(R7)的输入端连接忆阻电路的场输出端第一电阻(R1)的输出端还连接第一运算放大器(U1)的反向输入端，所述第一运算放大器(U1)的输出端连接第三电阻(R3)的输入端，所述第一运算放大器(U1)的正向输入端接地，所述第三电阻(R3)的输出端还连接第二运算放大器(U2)的反向输入端，所述第二运算放大器(U2)的输出端连接第六电阻(R6)的输入端，第二运算放大器(U2)的反向输入端还通过第五电阻(R5)连接Boost变换器电路的电压输出端(vM)，第二运算放大器(U2)的正向输入端接地，所述第六电阻(R6)的输出端还连接第三运算放大器(U3)的反向输入端，电容(Cm)和第三运算放大器(U3)的输出端构成忆阻电路的场输出端第三运算放大器(U3)的正向输入端接地，所述第七电阻(R7)的输出端还连接第四运算放大器(U4)反向输入端，第八电阻(R8)的输出端和第四运算放大器(U4)输出端共同连接乘法器(A)的输入端，所述第四运算放大器(U4)正向输入端接地，所述乘法器(A)的输出端通过第十一电阻(R11)分别连接第十二电阻(R12)的一端以及第五运算放大器(U5)反向输入端，所述乘法器(A)的电压输入端连接Boost变换器电路的电压输出端(vM)，所述第十二电阻(R12)的另一端和第五运算放大器(U5)的输出端共同构成忆阻电路电压输出端(Vim)连接所述压控电流源(VC)的电压控制侧的电压输入端(Vim)，所述第五运算放大器(U5)的正向输入端接地。
3.根据权利要求2所述的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，其特征在于，所述的第第四运算放大器(U4)的正向输入端通过第十电阻(R10)接地，第四运算放大器(U4)的正向输入端还依次通过第九电阻(R9)和直流电源(P)接地。
4.根据权利要求2所述的一种带有忆阻负载的Boost变换器电路，其特征在于，所述的第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)、第四运算放大器(U4)和第五运算放大器(U5)的电源输入端均连接15V电源。
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