基于忆阻器、忆容器和忆感器的新型开关功率变换器的设计与分析及其控制方法研究

In the past, the studied on the design, analysis and control of the switching power converters was mainly focued on the conventional switching power converters, which have only one equilibrium point for its piece-wise nonlinear system in nature, were constructed by the resistor, capacitor and inductor. However, the appearance of the memristor, memcapacitor and meminductor provide a new idea and approach for solving the drawback of conventional switching power converters. Therefore, in this project, from the analysis of the dynamical behaviors of the memristor, memcapacitor and meminductor, the new type of switching power converters is designed by using the memristor, memcapacitor and meminductor, and the corresponding mathematical model and simulation model are established and analyzed. And then,the controller is designed for controlling this new type of switching power converters, and the influence of the system's parameters on the system and the appearance of the complex nonlinear phenomena in this new type of switching power converters are also analyzed. Finally, the circuit experiment is designed to confirm the effectiveness of the controller and the correctness of the theoretical analysis. If this project is implemented successfully, it is expected to reveal the dynamical behaviors of the memristor, memcapacitor and meminductor profoundly, to validate the superiority of this new type of switching power converters adquately and to clarify the under-mechanism of the appearance of complex nonlinear phenomenon in the closed loop of this new type of switching power converters clearly. Thus, from the research results of this project, it will provide the important theoretical basis and experimental evidence for the switching power supply designing.

以往开关功率变换器设计与分析及其控制方法研究主要基于电阻器、电容器和电感器构成的传统开关功率变换器。已有的研究表明：由于传统开关功率变换器是分段线性的非线性系统，导致传统开关功率变换器存在仅稳定于唯一平衡点的本质缺陷。然而，忆阻器、忆容器和忆感器的出现对解决传统开关功率变换器的本质缺陷提供了新的思路和途径。为此，本项目拟从分析忆阻器、忆容器和忆感器的动力学特性出发，基于忆阻器、忆容器和忆感器设计新型开关功率变换器，建立与分析相应的数学模型和仿真模型，设计控制器实现新型开关功率变换器的控制，分析系统参数的影响以及系统中的复杂非线性现象，设计实验电路，验证控制器的有效性和理论分析的正确性。本项目的成功实施将有望深刻揭示忆阻器、忆容器和忆感器的动力学特性，证实新型开关功率变换器的优越性，阐明闭环新型开关功率变换器中复杂非线性现象产生的物理机理，从而为新型开关电源设计提供重要的理论基础和实验依据。

忆阻器、忆容器和忆感器是新型记忆电路元件。本项目是基于新型记忆电路元件的新型开关功率变换器的设计与分析及其控制方法研究。在本项目的资助下，首先构建并分析了新型记忆电路元件模型，提出了新型磁控忆阻器的多项式模型和指数型磁控忆阻器模型以及一类新型忆感器模型，设计了新型忆阻器模型和新型忆感器模型的电路实现形式，构建了浮地忆阻器的电路结构，构建并分析了仅含忆感器、电阻和电容的混沌振荡器。然后，在研究传统开关功率变换器的改进平均模型以及设计新型开关功率变换器拓扑的基础上，研究了含新型记忆电路元件的开关功率变换器的设计及其系统中的复杂非线性现象，理论分析、数值仿真和电路实验均表明：在含忆阻性负载电压型全桥逆变电路中不仅存在着由于系统发生Hopf分岔而产生的低频振荡现象，而且还存在着由于系统发生高频倍周期分岔而产生且倍周期分岔现象，且这些复杂非线性现象的产生对系统性能有着重要的影响。此外，还发现输入滤波器的加入对含忆阻性负载全桥逆变电路的低频振荡现象和倍周期分岔现象均有一定程度的抑制作用。最后，设计了输出电压微分反馈控制器实现了对含忆阻性负载电压型全桥逆变电路中的低频振荡现象和倍周期分岔现象的控制，并给出了控制参数对系统中出现的振荡现象和倍周期分岔现象进行有效控制的范围。因此，本项目提出的新型记忆电路元件模型及其电路实现形式，揭示的含忆阻性负载电压型全桥逆变电路中复杂行为产生的物理机理以及设计的控制器实现了含忆阻性负载电压型全桥逆变电路中复杂行为的控制，将为新型开关电源设计提供重要的理论基础和实验依据。. 围绕本项目的研究，已在国内外著名期刊及会议上共发表论文18篇，其中SCI收录13篇、EI收录4篇，出版专著1部，已培养博士研究生1名和硕士研究生3名，正在培养博士研究生2名、硕士研究生5名。以项目的研究成果为基础，项目负责人入选了陕西省青年科技新星。