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无电流传感器模型预测MPC串联型谐振DAB模型研究（Simulink仿真实现）

news 2026/7/1 20:46:05

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💥第一部分——内容介绍

无电流传感器模型预测控制的串联型谐振DAB变换器模型研究

1 研究背景与意义

在新能源发电、储能系统、电动汽车车载电源及不间断供电等电力电子变换场景中，隔离型双向DC-DC变换器是实现电能双向传输、电压等级匹配与电气安全隔离的核心关键设备。双有源全桥（Dual Active Bridge, DAB）变换器凭借结构对称、功率密度高、能量双向流动特性优异、易于实现全工况软开关等突出优势，成为中低压隔离双向电能变换领域的主流拓扑，具备极强的工程应用价值。

传统DAB变换器多采用PI控制结合多类型移相调制的控制方案，该控制方式依赖高精度输出电流传感器采集实时电流信号，完成闭环反馈调节。在实际工程应用中，电流传感器的引入不仅增加了变换器硬件成本、体积与装配复杂度，还会带来采样噪声、零点漂移、器件损耗等问题，降低系统可靠性与稳定性，同时传感器故障还会直接导致控制系统失效，制约DAB变换器在高可靠、小型化场景的推广应用。

为解决上述问题，本文以串联型谐振DAB变换器为研究对象，引入无电流传感器模型预测控制（MPC）策略，依托变换器电路特性与模型预测算法实现电流状态的精准预估，替代传统传感器采样环节。通过构建无传感MPC控制模型，优化变换器稳态运行精度与动态响应速度，同时保留多移相控制扩展能力。相较于传统带电流传感器的PI控制方案，该策略可在简化硬件结构、降低系统故障率的基础上，显著提升变换器工况适配能力与动态调节性能，为高性能、小型化、高可靠隔离双向DC-DC变换系统的设计提供理论支撑。

2 串联型谐振DAB变换器模型简介

本文研究的串联型谐振DAB变换器是在传统双有源全桥拓扑基础上引入谐振支路优化得到的新型隔离双向变换拓扑，兼顾了传统DAB拓扑的双向功率流动、电气隔离、软开关特性，同时通过谐振单元优化功率传输特性，降低开关损耗与电流应力。该模型核心创新点在于摒弃了传统控制方案必需的输出电流采样传感器，基于模型预测控制算法实现无电流传感闭环控制，突破了传感器硬件带来的系统局限。

在控制性能层面，该无传感MPC控制模型可精准适配变换器稳态稳压、动态功率切换、负载突变等多类运行工况，有效改善传统PI控制动态响应滞后、抗扰动能力弱的问题。相较于常规带电流传感器的PI控制方案，本模型无需依赖实时电流采样信号，通过电路状态预估完成控制量迭代优化，在简化硬件系统的同时，具备更优异的动态响应速度与工况适应性。同时，模型核心控制架构兼容多移相调制策略，在基础单移相控制的核心框架下，预留双重移相、三重移相控制扩展接口，可根据不同工况需求灵活拓展控制模式，适配宽范围电压、功率运行场景。

相较于非谐振型DAB拓扑，串联型谐振结构可有效平滑回路电流波动、抑制电流尖峰，优化变换器软开关实现范围，降低高频工作下的电磁干扰与器件损耗，进一步提升变换器整体运行效率与稳定性，契合新能源电力变换系统高效、高可靠、低损耗的运行需求。

3 串联型谐振DAB变换器基本原理

3.1 主电路拓扑结构

串联型谐振DAB变换器主电路延续传统双有源桥对称拓扑架构，核心由原边全桥变换电路、副边全桥变换电路、高频隔离变压器及串联谐振支路四部分构成，整体结构对称、模块化程度高，可实现电能双向可逆传输与电气完全隔离。拓扑核心组成元件及功能特性如下：

第一，全桥开关管模块。原、副边均采用H桥全桥结构，每个桥臂开关管以互补导通方式工作，通过控制开关管通断时序，将两侧直流输入电压调制为高频正负对称方波电压，为高频能量传输提供交变电压激励。对称的桥臂工作模式可保证变换器正向、反向功率传输特性一致，实现无差双向电能变换。

第二，高频隔离变压器。作为电气隔离与电压匹配的核心器件，高频变压器实现原、副边电路的电气完全隔离，规避高低压侧串扰风险，同时通过变比适配输入、输出侧电压等级，完成电压幅值变换。高频工作模式有效缩小了变压器体积，提升了变换器功率密度，契合小型化设备应用需求。

第三，串联谐振电感支路。本拓扑区别于传统DAB的核心结构，谐振电感可采用独立谐振器件或利用变压器固有漏感，串联于高频变压器回路之中。该谐振支路可有效限制回路电流变化速率，平滑高频电流波形，抑制开关瞬间电流冲击，同时重塑变换器功率传输特性，拓宽软开关工况范围，降低开关器件损耗与电磁干扰，大幅提升变换器稳态运行稳定性。

整体电路输入、输出侧均为直流电压，通过两侧H桥的高频调制、变压器的隔离变压、谐振支路的波形优化，实现直流-高频交流-直流的电能变换过程，且可根据负载工况与功率需求，灵活切换功率流动方向，适配双向储能、并网发电等多场景应用。

3.2 移相控制基本机制

DAB变换器的核心控制逻辑为移相控制，依据控制自由度的差异，行业内主流控制方式包含单重移相控制、双重移相控制、扩展移相控制及三重移相控制四类，不同控制方式的工况适配性、控制精度与动态性能存在明显差异。

本文模型核心采用单重移相控制策略，作为最成熟、最稳定的基础控制方式，单移相控制的核心工作机制为：控制原、副边H桥输出占空比恒定为50%的正负对称高频方波电压，保证两侧调制波形幅值、占空比一致，仅通过调节原、副边方波电压的外移相角，改变回路等效传输电压与电流的相位关系，进而精准控制变换器功率传输的大小与流动方向。该控制方式结构简单、计算量小、稳态精度高，可满足绝大多数常规工况的稳定运行需求，适配工程低成本、易实现的控制要求。

为提升模型的拓展性与工况适配能力，本模型并未局限于单一单移相控制架构，在底层控制程序与逻辑架构中完整预留双重移相、三重移相控制拓展接口。后续可根据宽电压输入、轻载高效运行、低环流损耗等特殊工况需求，灵活启用多移相控制模式，通过增加桥臂内移相、双向移相等控制自由度，优化变换器轻载效率、降低环流损耗，实现基础工况与特殊工况的全覆盖，兼顾控制简洁性与性能拓展性。

4 无电流传感器MPC控制核心原理

4.1 模型预测控制核心逻辑

模型预测控制是一种基于系统动态模型的闭环最优控制策略，区别于传统PI控制的误差反馈校正逻辑，该控制方式依托变换器电路拓扑特性与运行机理，构建系统状态预估模型，通过实时采集输入输出电压、开关状态等可测信号，预估下一时刻变换器的电流、功率等核心状态量，完成控制量的提前迭代与最优求解。

针对串联型谐振DAB变换器，MPC控制可精准捕捉谐振支路、变压器回路的动态变化特性，适配谐振拓扑的非线性、时变工况特征，相较于传统线性PI控制，具备更强的抗扰动能力与动态调节精度。同时，该控制算法可实现多目标协同优化，在稳压控制的基础上，同步优化电流应力、开关损耗、动态响应速度等性能指标，实现变换器综合性能提升。

4.2 无电流传感实现机制

传统DAB闭环控制必须依赖电流传感器采集输出电流、谐振回路电流信号，作为反馈调节依据，而本文所提模型完全摒弃电流采样环节，依托串联型谐振DAB的电路约束关系与MPC状态预估能力，实现无传感闭环控制。

该机制的核心原理为：基于谐振DAB拓扑的电压传输特性、谐振元件伏安特性及功率传输规律，搭建无传感状态观测模型，通过实时采集输入直流电压、输出直流电压、开关管移相角等易采集、高稳定性的硬件信号，结合系统历史运行状态，精准预估谐振回路实时电流与输出电流状态，替代传感器采样信号完成闭环反馈调节。整个过程无需电流传感器参与，彻底规避了传感器采样误差、器件故障、噪声干扰等问题。

5 控制方案对比分析

为充分验证无电流传感器MPC控制模型的优越性，本文将其与工程主流的带电流传感器PI控制方案进行全方位性能对比，核心差异与优势体现在硬件架构、稳态性能、动态性能及可靠性四个维度。

硬件架构层面，传统PI控制需配置高精度输出电流传感器，硬件成本高、设备体积大，且采样线路易受高频电磁干扰；无传感MPC方案取消电流传感器，简化了变换器硬件电路与装配结构，降低硬件成本与设备体积，提升系统集成度，更适配小型化、集成化电力变换设备的应用需求。

稳态性能层面，传统PI控制依赖实时电流采样精度，易受传感器零点漂移、采样噪声影响，导致稳态输出电压、功率存在小幅波动；无传感MPC控制依托模型精准预估状态量，无采样器件误差干扰，结合多目标优化特性，可有效抑制稳态波动，提升变换器稳压精度与功率传输稳定性。

动态性能层面，PI控制属于滞后校正控制，仅在工况变化产生误差后才进行调节，面对负载突变、电压波动、功率双向切换等动态工况，存在响应滞后、超调量大、调节时间长的问题；无传感MPC控制具备预测超前调节特性，可提前预判系统状态变化，快速迭代最优控制量，显著缩短动态调节时间、降低电压与功率超调，大幅提升变换器动态抗扰动能力与工况适配速度。

可靠性层面，传统PI控制系统存在传感器单点故障风险，传感器损坏、采样失效会直接导致闭环控制崩溃；无传感MPC方案无电流采样硬件依赖，系统故障点大幅减少，运行稳定性与容错性显著提升，更适用于新能源并网、储能供电等长期连续运行的高可靠场景。

6 模型特性总结

本文构建的无电流传感器MPC串联型谐振DAB变换器模型，融合了谐振拓扑的低损耗特性与模型预测控制的高性能优势，同时实现了硬件结构简化与控制性能升级。拓扑层面，串联谐振结构优化了DAB变换器的功率传输特性，拓宽软开关范围，降低器件损耗与电流应力；控制层面，无传感MPC策略突破了传统传感器的硬件局限，依托状态预估实现精准闭环控制，相较于传统带传感PI控制，动态响应、稳态精度、系统可靠性均得到显著提升。

同时，模型保留多移相控制拓展能力，可根据实际工况灵活切换控制模式，兼具通用性与可拓展性，能够适配光伏发电、风电并网、电动汽车储能等多类新能源电力变换场景，具备良好的理论研究价值与工程应用前景。

📚第二部分——运行结果

此模型的模型图册控制参考《ModelPredictivePower_Control_for_Bidirectional_Series_Resonant_Isolated_DCDC_Converters_With_Steady-State_and_Dynamic_Performance_Optimization》及《Model_Predictive_Power_Control_for_Bidirectional_Series-Resonant_Isolated_DCDC_Converters_With_Fast_Dynamic_Response_in_Locomotive_Traction_System》这两篇文章，并非完全对应，但思路一致。模型控制模块如下图所示

输出波形

采用MPC控制时的输出波形

采用PI控制器控制时的输出波形