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双有源桥DAB变换器三重移相TPS仿真模型研究（Simulink仿真实现）

news 2026/6/6 0:29:50

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💥第一部分——内容介绍

基于三重移相控制的双有源桥 DAB 高频隔离 DC-DC 变换器仿真模型研究

摘要

双有源桥变换器凭借电气隔离、功率双向流动、功率密度高、模块化拓展便捷等优势，成为储能并网、车载电源、新能源变流等场景中高频隔离 DC-DC 拓扑的优选方案。传统单重移相控制调控自由度有限，变换器全功率区间软开关实现范围狭窄，环流损耗与无功功率占比偏高，制约整机运行效率提升。三重移相控制在单重、双重移相基础上增加原副边桥内移相调控维度，通过三组独立移相变量协同优化开关时序，能够大范围拓宽 ZVS 软开关工作区间，有效抑制回路无功环流，适配宽电压变比工况运行需求。本文依托系统仿真平台搭建可多模式切换的 DAB 仿真模型，集成单重移相 SPS、双重移相 DPS、三重移相 TPS 三类主流移相控制策略，设计开环调试、单电压闭环两种工作模态，依托通用全桥模块与脉冲发生单元完成硬件拓扑与控制逻辑封装，围绕不同移相方案下的 ZVS 实现条件、输入输出外特性、环流损耗开展对比分析，验证三重移相控制在宽负载、宽变比工况下的性能优越性，为 DAB 变换器参数优化与工程控制策略落地提供仿真参考依据。

关键词：双有源桥；三重移相；高频隔离 DC-DC；软开关 ZVS；多移相控制；闭环调控

1 绪论

1.1 研究背景与意义

新型电力系统建设推动电化学储能、新能源汽车、分布式光伏、轨道交通车载供电设备快速发展，高频隔离型 DC-DC 变换器作为能量双向交互的核心变流单元，承担电压等级变换、电气安全隔离、功率双向传输的关键作用。相较于非隔离 DC-DC 拓扑，隔离型拓扑依靠高频变压器实现高低压侧电气绝缘，能够规避高低压回路串扰带来的安全隐患，适配高压储能、车载动力电池等严苛应用环境。

双有源桥 DAB 拓扑凭借对称式全桥架构、模块化集成优势，在中大功率隔离变流领域应用逐年普及。早期工程普遍采用单重移相控制，该控制方式结构简单、调试便捷，但仅依靠原副边全桥输出方波相位差实现功率调节，在输入输出电压变比偏离额定值、轻载运行工况下，变压器原副边无法实现全开关管 ZVS 开通，回路产生大量无功环流，增大导通损耗与高频开关损耗，整机效率显著下滑。双重移相在单重移相基础上引入单侧桥臂内移相，小幅优化无功功率，但调控自由度仍存在局限，难以兼顾全负载范围软开关。三重移相 TPS 同时引入原边桥内移相、副边桥内移相与原副边桥间移相三个控制自由度，可灵活重构全桥输出电压波形，针对不同电压变比与负载工况精细化配置移相参数，从机理层面优化无功环流与软开关区间。

搭建集成多控制模式的 DAB 仿真模型，对比 SPS、DPS、TPS 三种移相控制的稳态与动态性能，分析各类策略 ZVS 实现边界，对优化 DAB 变换器运行效率、拓宽拓扑适用工况、推进高频隔离 DC-DC 变换器工程化应用具备重要理论与工程价值。

1.2 国内外研究现状

国外针对 DAB 拓扑与移相控制的研究起步较早，早期研究率先提出单重移相控制方案并完成拓扑原理验证，明确单重移相功率传输规律与软开关约束条件，后续研究发现单重移相固有损耗缺陷，逐步提出双重移相优化方案，通过单侧桥内移相改善轻载无功损耗问题。随着宽工况应用需求提升，相关学者拓展出三重移相控制思路，依托三组移相参数的多维度调控，打破前两种移相控制的参数约束，完成全工况 ZVS 优化的理论推导与样机试验。

国内研究聚焦三重移相参数优化、闭环控制算法改良、损耗建模与 ZVS 区间划分等方向，多数研究基于仿真与样机试验完成性能验证，但现有仿真模型多固定单一移相控制策略，SPS、DPS、TPS 控制相互独立建模，缺少一体化可切换的仿真架构，开环调试与闭环控制分模块设计不利于多控制策略横向对比。本文搭建一体化可切换仿真模型，弥补单一控制模型通用性不足的问题，完善多移相策略对比研究体系。

1.3 主要研究内容

本文围绕可多模式切换的高频隔离 DAB 变换器仿真模型展开研究，核心研究内容分为四个部分：第一，完成 DAB 主拓扑仿真搭建，基于通用全桥模块与高频隔离变压器构建功率主回路；第二，搭建模块化控制架构，实现 SPS 单重移相、DPS 双重移相、TPS 三重移相三种控制模式一键切换，依托脉冲发生单元完成多路驱动脉冲生成；第三，设计工作模态切换逻辑，区分开环调试模式与单电压闭环控制模式，闭环环节以输出电压为调控目标实现稳压控制；第四，开展多工况仿真试验，对比三种移相方案在不同负载、不同电压变比下的输出稳压特性、环流水平以及 ZVS 软开关实现情况，总结三重移相控制的性能优势。

2 DAB 变换器拓扑与多移相控制基本原理

2.1 DAB 高频隔离 DC-DC 拓扑结构

DAB 属于对称式双向隔离 DC-DC 拓扑，主电路由原边全桥变换单元、高频隔离变压器、副边全桥变换单元以及两侧滤波电容构成，原副边全桥均由四只功率开关管组成对称 H 桥结构，高频变压器起到电气隔离与电压变比变换作用，两侧支撑电容用于缓冲电压波动、滤除直流侧谐波。拓扑天然具备功率双向传输能力，改变原副边全桥输出电压相位关系即可实现功率正向或反向流动，适配储能充放电、双向电源等能量双向交互场景。高频化的变压器设计能够减小磁性元件体积，提升变换器功率密度，契合当下变流设备小型化发展趋势。

2.2 三类移相控制工作机理概述

单重移相 SPS 是 DAB 最基础的控制方式，仅通过调整原边全桥与副边全桥输出方波的桥间相位差调控传输功率，原副边全桥内部开关管无移相操作，同一桥臂上下管保持互补导通。该控制逻辑简单、脉冲生成难度低，但输出电压与额定变比不匹配时，变压器两侧方波幅值不一致，回路产生较大无功环流，软开关工作区间受限。

双重移相 DPS 在 SPS 基础上增加单侧全桥的桥内移相，即单个 H 桥内部两只斜对角开关管引入移相角，另一个全桥保持方波输出不变，通过桥内移相改变单桥输出电压占空比，优化变压器侧电压波形，相比 SPS 能够小幅降低无功功率，拓宽部分工况下的 ZVS 区间，但仅单侧可调的参数限制了优化上限，极端变比工况损耗优化效果有限。

三重移相 TPS 同时配置原边桥内移相角、副边桥内移相角、原副边桥间移相角三个独立调控参数，原副边两侧 H 桥均可实现桥内移相，两侧全桥输出电压波形占空比均可灵活调整，配合桥间相位差共同调节传输功率。三组移相参数相互配合能够精细化匹配输入输出电压，最大程度削弱回路无功环流，在轻载、电压失配等恶劣工况下仍可维持多数开关管工作在 ZVS 软开关状态，是三类移相控制中工况适配性最优的方案。

2.3 开环与闭环控制工作逻辑

开环模式主要用于前期拓扑调试与控制参数标定，人为给定固定移相参数，脉冲发生单元按照设定参数输出驱动信号，变换器输出电压随输入电压与负载扰动自主变化，无反馈调节环节，多用于单种移相策略的原理验证与参数初筛。

单电压闭环控制以变换器输出直流电压作为反馈量，将实测输出电压与电压给定值做差值运算，通过闭环调节器输出调控指令，指令传递至移相控制模块实时修正三类移相参数，动态改变功率传输大小，抵消输入波动、负载突变带来的电压扰动，实现输出电压稳定控制，是变换器实际工程运行的主流控制形式。

3 多模式可切换 DAB 仿真模型整体设计

3.1 仿真模型模块化架构设计

本文采用分层模块化思路搭建 DAB 仿真模型，整体划分为主功率拓扑模块、驱动脉冲生成模块、多模式移相控制模块、闭环反馈调节模块四大子模块，各子模块独立封装、接口标准化，便于后续参数修改与功能拓展。主功率回路依托仿真平台内置通用全桥模块搭建原副边 H 桥，搭配高频变压器与直流滤波电容构成完整功率通路；脉冲生成单元作为驱动核心，接收移相控制模块下发的移相角度指令，按照 SPS/DPS/TPS 不同时序逻辑生成多路互补驱动脉冲，实现开关管有序通断。

3.2 多移相控制模式切换设计

控制模块内部嵌入三种移相算法子程序，设置模式选择开关作为切换接口，通过外部控制信号实现 SPS、DPS、TPS 控制模式的自由切换。当选择单重移相模式时，控制系统屏蔽两侧桥内移相参数，仅保留桥间移相变量参与功率调节；切换至双重移相模式后，解锁单侧桥内移相参数，另一侧桥内移相固定为零；选定三重移相模式时，原边桥内、副边桥内、桥间三组移相参数全部开放可调，由开环给定或闭环调节器输出动态赋值。模块化的控制设计避免了三种控制方案重复建模，大幅提升仿真调试效率。

3.3 开闭环运行模式切换设计

模型增设运行模式选择支路，区分开环调试与单电压闭环两类工况。开环工况下，移相参数由外部常数源直接给定，反馈支路断开，闭环调节器停止工作；闭环工况接通输出电压采样反馈线路，采集变换器实时输出电压，与参考电压对比后经过闭环控制器运算更新移相参数，实现稳压闭环调控。两种运行模式共用同一套移相与脉冲生成单元，仅通过控制通路通断完成模态切换，方便先后开展参数调试与稳态稳压试验。

3.4 ZVS 观测方案设计

依托仿真软件的数据采集与波形监测功能，在各功率开关管两端并联电压采样测点，同步采集开关管驱动脉冲信号与器件端电压波形。通过对比开关管开通时刻的端电压数值判断 ZVS 实现状态：若开关管驱动信号到来前器件端电压已经下降至零，器件实现零电压开通；反之则工作在硬开关状态。借助多通道波形观测窗口，直观统计不同移相方案下各开关管 ZVS 实现数量与工况边界，完成软开关性能量化对比。

4 仿真试验与结果性能分析

4.1 仿真工况设置

统一设定 DAB 额定工况参数，划分额定变比、低压输入（变比偏小）、高压输入（变比偏大）三种电压工况，搭配满载、半载、轻载三类负载条件，分别在 SPS、DPS、TPS 三种移相控制下开展开环与单电压闭环仿真试验，记录输出电压波形、变压器原副边电流波形、开关管端电压与驱动波形，从稳压能力、环流损耗、ZVS 实现范围三个维度完成性能对比。

4.2 开环工况仿真结果分析

开环给定固定移相参数条件下，额定电压匹配工况时，SPS、DPS、TPS 三种控制均可实现额定功率传输，输出电压偏差较小，多数开关管能够实现 ZVS；当输入电压偏离额定值或负载降至轻载区间后，SPS 控制下变压器侧电流畸变严重，无功环流幅值大幅上升，大量开关管失去 ZVS 工作条件，硬开关带来明显电压尖峰；DPS 依靠单侧桥内移相小幅优化电流波形，环流有所降低，ZVS 区间得到小幅拓宽，但在电压严重失配工况优化效果有限；TPS 凭借三组移相参数协同调整输出电压占空比，有效抵消电压变比失配带来的无功分量，回路环流始终维持在较低水平，全工况下开关管 ZVS 实现占比显著优于前两种移相方式。

4.3 单电压闭环工况仿真结果分析

接入单电压闭环控制后，三种移相策略均可实现稳态输出电压精准稳压，负载阶跃突变、输入电压骤升骤降扰动时，闭环系统均可通过动态修正移相参数快速抑制电压波动。动态响应层面，SPS 闭环调控仅依靠单一组移相角，参数调节裕度小，负载扰动后电压跌落深度更大、恢复时间更长；DPS 增加单侧移相调节维度，动态性能有所改善；TPS 多参数协同调节具备更大的调控自由度，面对大幅度工况扰动时，电压超调量最小，稳压恢复速度最快。稳态运行损耗层面，相同闭环稳压指标下，TPS 控制回路无功损耗远低于 SPS 与 DPS，变换器整体运行效率更高。

4.4 ZVS 软开关性能对比总结

通过多组工况下开关管波形汇总分析可知，SPS 仅能在额定变比、中重载窄小区间内实现全管 ZVS，轻载与变比失配工况几乎全部进入硬开关；DPS 将 ZVS 区间向轻载与小幅变比偏差工况拓展，但极端工况仍存在部分器件硬开通；TPS 依托三重移相的多自由度优化，ZVS 软开关覆盖范围延伸至全负载、宽电压变比区间，仅在极轻载极限工况出现少量硬开关，软开关性能优势突出。

5 结论与展望

5.1 研究结论

本文完成可实现 SPS/DPS/TPS 三类移相切换、开闭环模态可选的高频隔离 DAB 变换器一体化仿真模型搭建，依托通用全桥模块与脉冲生成单元完成拓扑与控制集成，通过多工况仿真对比得到如下结论：

一体化模块化仿真架构能够便捷实现三种主流移相控制策略切换，开环模式适用于参数标定，单电压闭环满足工程稳压需求，模型通用性强，可高效完成多控制方案横向对比试验。
单重移相 SPS 结构最简，但无功环流大、ZVS 工作区间狭窄，仅适配额定工况稳定运行；双重移相 DPS 优化效果有限，软开关与损耗性能提升幅度不足；三重移相 TPS 凭借三参数调控优势，有效抑制变压器回路无功环流，大幅拓宽 ZVS 实现区间，宽电压、全负载工况下的稳态效率与动态稳压性能全面优于 SPS 和 DPS。
单电压闭环配合三重移相控制，面对输入与负载扰动时稳压精度高、动态抗扰能力强，是宽工况高频隔离 DAB 变换器优选控制方案。

5.2 后续研究展望

本次仿真仅围绕单电压闭环开展研究，后续可在现有模型基础上拓展双闭环控制架构，引入电流闭环实现过流保护与功率精准限幅；其次可基于该多模式仿真模型优化三重移相参数智能寻优策略，结合优化算法在线实时配置最优移相组合；此外可依托仿真数据开展变换器损耗精细化拆分研究，建立不同移相方案的损耗分布规律，为 DAB 样机元器件选型与散热设计提供数据支撑。