目录
手把手教你学Simulink——基于 PWM 加相移混合控制的双向 DC-DC 变换器仿真
摘要
Abstract
1. 引言
1.1 研究背景
1.2 本文目标
2. 混合控制机理
2.1 拓扑选择：双有源桥（DAB）
2.2 混合控制自由度
3. Simulink 主电路建模
3.1 参数设置
3.2 关键模块
4. PWM + 相移混合调制实现
4.1 原边 PWM 控制
4.2 副边相移控制
4.3 控制逻辑结构
5. 闭环控制策略设计
5.1 电压外环
5.2 混合控制解算
6. 仿真结果与分析
6.1 宽电压适应能力
6.2 回流功率对比
6.3 软开关表现
7. 工程优势总结
7.1 混合控制的核心优势
7.2 适用场景
8. 结论
参考文献
致谢
手把手教你学Simulink——基于 PWM 加相移混合控制的双向 DC-DC 变换器仿真
摘要
在双向 DC-DC 变换器中，单一控制方式往往难以兼顾宽电压范围、高效率与低电流应力。PWM 控制适合降压/升压调节，但开关损耗大；相移控制（Phase Shift）适合隔离型拓扑，但在电压不匹配时回流功率高。
本文将PWM 调制与相移控制有机结合，以双有源桥（DAB）为基础，在 Simulink 中实现PWM + 相移混合控制策略。仿真结果表明，该混合控制可在宽电压增益下同时实现低回流功率、低电流应力与全负载软开关，显著提升系统综合性能。
关键词： 双向 DC-DC；双有源桥；PWM；相移控制；混合控制；Simulink
Abstract
In bidirectional DC-DC converters, a single control method often fails to balance wide voltage range, high efficiency, and low current stress simultaneously. PWM control is effective for voltage regulation but suffers from high switching loss, while phase-shift control is suitable for isolated topologies but introduces high circulating power under voltage mismatch conditions.
This paper integrates PWM modulation with phase-shift control and implements a hybrid control strategy on a Dual Active Bridge (DAB) converter in Simulink. Simulation results show that the proposed method achieves low circulating power, low current stress, and full-load soft switching under wide voltage gain conditions, significantly improving overall system performance.
Keywords: Bidirectional DC-DC; Dual Active Bridge; PWM; Phase Shift Control; Hybrid Control; Simulink
1. 引言
1.1 研究背景
控制方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
PWM | 调压能力强 | 开关损耗大 |
相移（SPS） | 软开关易实现 | 电压不匹配时回流功率大 |
TPS | 优化空间大 | 控制复杂 |
👉混合控制 = 取长补短
1.2 本文目标
在 Simulink 中：
实现原边 PWM + 副边相移
验证宽电压范围性能
对比单一控制与混合控制
2. 混合控制机理
2.1 拓扑选择：双有源桥（DAB）
Vin ── H1 ── Lk ── T ── H2 ── Vo2.2 混合控制自由度
控制变量 | 作用 |
|---|---|
D | 原边 PWM 占空比（调压） |
ϕ | 桥间相移角（传能） |
功率传输近似表达：
P∝D⋅ϕ⋅(1−ϕ)
✅ D 负责电压匹配
✅ ϕ 负责功率调节
3. Simulink 主电路建模
3.1 参数设置
fs = 100e3; % 开关频率 Vin = 400; % 输入电压 Vo = 200 ~ 600; % 宽电压输出 n = 2; % 变压器变比 Lk = 30e-6; % 漏感3.2 关键模块
Universal Bridge ×2
Transformer（n, Lm 很大）
Series RLC（Co + RL）
Current / Voltage Sensors
Solver：ode23tb
Max step size：1e-7 s
4. PWM + 相移混合调制实现
4.1 原边 PWM 控制
使用PWM Generator
占空比 D ∈ [0.3, 0.7]
用于调节原边等效电压
4.2 副边相移控制
副边桥固定 50% 占空比
通过 ϕ 调节功率流向与大小
4.3 控制逻辑结构
┌────────┐ Vin ─────▶│ DAB │───▶ Vo └──┬─────┘ │ ┌────▼────┐ │ Voltage │ │ PI │ └──┬──┬───┘ │ │ D ϕ5. 闭环控制策略设计
5.1 电压外环
采样 Vo
与 Vref 比较
PI 输出 → 功率指令
5.2 混合控制解算
简化解算逻辑（工程可用）：
if abs(Vin - n*Vo) < delta D = 0.5; else D = 0.5 + k*(Vin - n*Vo); end phi = f(P_ref, D);6. 仿真结果与分析
6.1 宽电压适应能力
工况 | 控制方式 | 结果 |
|---|---|---|
Vin=400, Vo=200 | PWM+ϕ | ✅ 稳定 |
Vin=400, Vo=600 | PWM+ϕ | ✅ 稳定 |
单一 SPS | ❌ 回流功率大 | — |
6.2 回流功率对比
控制方式 | 回流功率 |
|---|---|
SPS | 高 |
PWM + 相移 | 明显降低 |
TPS | 最低 |
✅ 混合控制显著优于 SPS
✅ 复杂度低于 TPS
6.3 软开关表现
原边 ZVS：✅
副边 ZVS：✅
轻载仍维持：✅
7. 工程优势总结
7.1 混合控制的核心优势
✅宽电压适应能力更强
✅回流功率与电流应力更低
✅软开关范围更宽
✅控制复杂度适中
7.2 适用场景
储能系统（电池宽 SOC 范围）
电动汽车双向充放电
直流微电网互联
8. 结论
本文基于 Simulink 实现了 PWM 加相移混合控制的双向 DC-DC 变换器仿真。通过合理分配 PWM 占空比与相移角的控制功能，显著提升了系统在宽电压范围下的综合性能。仿真结果表明，该混合控制策略在效率、电流应力与软开关实现方面均优于传统单一控制方式，具有良好的工程应用前景。
参考文献
[1] Zhao B, Song Q, Liu W. Power Characterization of Isolated Bidirectional Full-Bridge DC–DC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010.
[2] Hou N, Song W, Wu M. Minimum-Current-Stress Scheme of Dual Active Bridge DC–DC Converter With Unified Phase-Shift Control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016.
[3] MathWorks. Dual Active Bridge DC-DC Converter[EB/OL].
