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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变换器性能研究
摘要
双有源全桥（DAB）DC-DC变换器凭借电气隔离、功率密度高、能量双向流动、软开关易实现等突出优势，广泛应用于光伏发电、风电并网、电动汽车供电、不间断电源等新能源电能变换场景。针对传统DAB变换器PI控制依赖电流传感器、动态响应滞后、稳态精度受限的问题，本文以串联型谐振DAB变换器为研究对象，提出一种无电流传感器的模型预测控制（MPC）策略。本文阐述了串联型谐振DAB变换器的主电路拓扑结构，梳理了各类移相控制方式的工作原理，采用单重移相控制作为核心调制方案，同时预留双重、三重移相控制扩展接口。通过与传统带电流传感器的PI控制策略进行稳态性能、动态响应特性的对比分析，验证了无电流传感器MPC策略的优越性。研究结果表明，该控制方案无需配置输出电流传感器，可有效简化硬件电路、降低系统成本与体积，同时显著优化变换器的稳态运行精度与动态响应速度，适配新能源系统对电能变换装置高效、快速、可靠运行的需求。
关键词
双有源全桥变换器；串联谐振；模型预测控制；无电流传感器；移相控制；双向DC-DC变换
1 引言
随着新能源发电、电动汽车、储能系统的快速发展，双向隔离DC-DC变换器作为能源变换与传输的核心装置，其运行性能直接决定了新能源系统的供电稳定性与能量利用效率。双有源全桥（DAB）变换器凭借结构对称、能量双向流动灵活、高频隔离、功率密度高等独特优势，成为中大功率双向电能变换场景的主流拓扑，相较于传统隔离DC-DC变换器，更适配分布式新能源并网、车载电源变换、储能充放电等动态工况复杂的应用场景。
目前工业界主流的DAB变换器控制方案以PI闭环控制结合移相调制为主，该方案结构简单、易于工程实现，但存在明显短板。一方面，传统PI控制必须依赖高精度电流传感器采集输出电流信号，不仅增加了变换器硬件成本、增大了设备体积，还会因传感器零点漂移、采样误差、线路干扰等问题降低系统控制精度，同时传感器故障还会直接导致系统失控，降低设备可靠性。另一方面，PI控制属于线性滞后控制，参数整定难度大，在负载突变、电压波动等动态工况下响应速度慢，稳态纹波抑制效果有限，难以适配新能源系统快速动态调节的需求。
模型预测控制（MPC）作为一种先进的非线性控制策略，凭借超前预测、动态优化、多约束适配的优势，在电力电子变换领域得到广泛应用。相较于传统PI控制，MPC可基于系统模型预判未来运行状态，实现提前调控，大幅提升变换器动态响应性能。现有DAB-MPC控制方案大多仍依赖电流采样，未摆脱传感器的硬件局限。基于此，本文针对串联型谐振DAB变换器，开展无电流传感器MPC控制策略研究，通过系统模型观测替代物理电流传感器，在省去电流采样环节的基础上，优化变换器稳态与动态性能，同时保留多移相控制扩展能力，为高性能、低成本双向隔离电能变换装置的设计提供技术参考。
2 串联型谐振DAB变换器拓扑与工作机制
2.1 主电路拓扑结构
本文研究的串联型谐振DAB变换器基于经典双有源全桥拓扑优化设计，整体结构由原边全桥变换器、副边全桥变换器、高频隔离变压器及串联谐振电感构成，整体电路结构对称、模块化程度高，具备优异的双向功率传输能力。变换器输入、输出侧均为直流电压，通过高频变压器实现电气隔离与电压等级匹配，通过谐振电感优化功率传输特性与电流变化特性。
拓扑核心功能元件各司其职，协同完成电能变换与传输工作。其中，原副边H桥开关管为核心逆变与整流单元，每个桥臂开关管采用互补导通的工作模式，可将两侧直流电压转换为高频正负对称方波电压，为能量双向传输提供高频交流通路；高频变压器是电气隔离与电压变换的核心，可实现原副边系统的电气完全隔离，规避高低压侧串扰风险，同时完成电压幅值的匹配变换，适配不同电压等级的电能交互需求；串联谐振电感可等效整合变压器漏感与外置谐振电感，能够有效限制回路电流变化率，抑制高频开关过程中的电流冲击，同时决定变换器的功率传输范围与谐振工作特性，是优化DAB变换器软开关性能、调节功率流动的核心无源器件。
相较于传统非谐振DAB变换器，串联型谐振结构可利用谐振特性优化开关管工作状态，拓宽软开关运行范围，降低开关损耗，进一步提升变换器运行效率，更适用于高频、大功率的电能变换场景。
2.2 移相控制工作模式及扩展特性
DAB变换器的核心控制逻辑为移相控制，依据控制变量与移相自由度的差异，可分为单重移相、双重移相、扩展移相及三重移相四类主流调制方式，不同控制方式的调控自由度与性能适配场景存在明显差异。本文核心采用工程实用性最强的单重移相控制方案，同时在控制架构中预留双重、三重移相控制接口，可根据工况需求灵活扩展多自由度移相调控功能，具备良好的通用性与可拓展性。
单重移相控制是DAB变换器最经典、最成熟的控制方式，其核心工作机制为：原边与副边有源桥均输出占空比固定为50%、正负对称的高频方波电压，两侧方波电压的幅值与频率保持稳定，仅通过调节原副边方波电压之间的外移相角，精准控制回路功率的流动方向与传输大小。当移相角为正值时，功率由原边向副边传输；当移相角为负值时，功率反向流动，实现能量双向可控传输。该控制方式结构简洁、调控逻辑清晰、运算量小，便于工程落地应用。
在此基础上，本文控制系统预留的双重移相控制可增加桥内移相自由度，能够优化电感电流波形、降低环流损耗；三重移相控制可实现多维度移相协同调控，进一步拓宽变换器软开关范围、提升轻载运行效率。预留多移相扩展接口的设计，使本文所提控制方案不仅能满足基础工况需求，还可适配复杂负载、宽电压输入输出等特殊场景，大幅提升系统的适配性与升级空间。
3 传统DAB变换器控制策略缺陷分析
3.1 带电流传感器PI控制工作原理
当前工业应用中，串联型谐振DAB变换器普遍采用电压外环、电流内环的双闭环PI控制架构。该控制方案通过电压传感器采集输出直流电压，与给定电压参考值做差值运算，通过电压外环PI调节器生成电流参考指令；同时依靠高精度电流传感器实时采集变换器输出电流，将采样电流与参考电流的差值输入电流内环PI调节器，最终输出移相控制信号，实现对变换器输出电压、电流的闭环调控，保证系统稳定运行。
3.2 传统控制策略的固有缺陷
硬件层面，传统PI控制高度依赖输出电流传感器，传感器的配置不仅增加了变换器的硬件成本、设备体积与布线复杂度，还引入了多重采样误差。在高频工作、复杂电磁干扰的工况下，电流传感器易出现采样失真、零点漂移等问题，直接降低闭环控制精度；同时传感器属于易损器件，长期高频工作会降低设备整体可靠性，增加后期维护成本。
控制性能层面，PI控制属于线性滞后控制，依赖误差反馈进行被动调节，无超前预判能力。当系统出现负载突变、输入电压波动等动态扰动时，PI调节器需要依靠误差累积完成参数调节，动态响应速度慢，电压电流超调量大、调节时间长。同时，PI参数需根据特定工况整定，工况变化后原有参数难以适配，鲁棒性较差，在新能源系统动态多变的运行场景中，稳态纹波抑制效果不佳，难以实现高精度、快速化调控。
调制适配层面，传统PI控制结合单移相控制时，仅具备单自由度调控能力，无法兼顾损耗优化与动态性能提升，轻载工况下环流损耗较大，运行效率偏低，且控制架构固化，难以适配多移相调制方式的扩展优化需求。
4 无电流传感器MPC控制策略设计
4.1 无传感器控制核心思路
本文所提控制策略摒弃传统物理电流传感器采样环节，基于串联型谐振DAB变换器的拓扑特性与运行机理，通过系统状态模型观测替代实时电流采样，实现输出电流的精准估算，无需硬件采样即可获取系统电流状态信息，从根源上解决电流传感器带来的成本、体积、可靠性及采样误差问题。该方案依托变换器电压、开关状态等易采集、高可靠性的信号，结合模型预测算法的状态预判能力，完成电流状态的实时观测与闭环调控，大幅简化系统硬件架构。
4.2 MPC控制整体架构与调控逻辑
本文设计的无电流传感器MPC控制策略以电压闭环为核心，融合模型预测动态优化能力，整体调控逻辑分为状态观测、预测模型运算、代价函数优化、移相指令输出四个核心环节。控制系统首先采集变换器输入输出直流电压信号，结合当前开关工作状态，通过搭建的谐振DAB系统模型估算回路电流状态；随后基于系统动态模型，预判未来有限时域内变换器的电压、电流运行状态；通过构建适配稳态精度与动态响应的代价函数，筛选出最优的移相控制指令；最终输出移相调制信号，驱动原副边H桥工作，实现变换器输出特性的精准调控。
该控制策略采用单重移相为基础调制方式，严格匹配传统DAB核心工作模式，同时通过软件架构预留双重、三重移相控制拓展通道，后续可通过算法升级实现多自由度移相调控，兼顾基础实用性与性能可升级性。相较于PI控制的被动纠错模式，MPC控制具备超前调控特性，可提前预判系统扰动并完成调节，大幅提升动态响应速度。
4.3 控制策略优势特性
硬件优化方面，彻底取消输出电流传感器，简化了变换器硬件电路设计，降低设备成本与体积，消除了传感器采样误差、电磁干扰及器件故障带来的系统隐患，提升了变换器运行可靠性与环境适配能力。
控制性能方面，突破了传统PI控制滞后调节的局限，依托模型预测的超前预判能力，可快速响应负载、电压扰动，有效减小动态超调量、缩短调节时间；同时多维度优化稳态工作点，抑制输出电压电流纹波，提升变换器稳态运行精度。
拓展性能方面，模块化的控制架构可兼容多种移相调制方式，无需改动硬件电路即可实现多控制模式切换与升级，能够适配不同功率等级、不同工况的电能变换需求，通用性与工程适配性更强。
5 控制策略性能对比分析
5.1 稳态性能对比
在额定负载、稳定输入电压的标准稳态工况下，传统带电流传感器PI控制的DAB变换器存在一定的输出电压、电流纹波，且受电流采样误差影响，输出稳态精度有限，长期运行会出现轻微的参数偏移现象。而本文无电流传感器MPC控制策略，依托精准的系统模型观测与最优状态预判调控，能够精准锁定最优稳态工作点，有效抑制输出纹波，电压电流稳态波动幅度显著降低，稳态运行精度与稳定性明显优于传统PI控制。同时，因无传感器采样误差干扰，系统稳态运行一致性更强，长期工作的参数漂移问题得到有效解决。
5.2 动态响应性能对比
动态工况主要包含负载突变、输入电压波动两类典型扰动场景。在负载突增、突降工况下，传统PI控制因滞后调节特性，输出电压会出现明显的超调与跌落，且需要较长时间才能恢复稳定，动态调节过程波动较大。而无电流传感器MPC控制凭借超前预测能力，可提前感知系统状态变化，快速输出最优移相调控指令，大幅减小电压电流动态超调量，显著缩短系统恢复稳态的调节时间，动态抗扰能力大幅提升。
在输入电压波动场景中，传统PI控制参数适配性差，面对电压扰动易出现稳态偏差与动态振荡；MPC控制可基于系统模型实时适配工况变化，动态优化控制参数，有效抑制输入电压波动对输出特性的影响，具备更强的工况自适应能力。
5.3 硬件可靠性与经济性对比
传统PI控制方案需配置高精度电流采样电路、传感器及信号调理模块，硬件成本高、电路结构复杂，且传感器对工作环境温度、电磁干扰敏感，故障概率较高，设备后期维护成本高。本文所提无电流传感器MPC方案，省去全部电流采样硬件单元，简化了电路布线与硬件结构，降低了设备体积与生产成本；同时减少了故障器件数量，提升了变换器长期运行的可靠性，在批量工程应用中具备显著的经济优势与工程优势。
6 结论
本文以串联型谐振DAB双向DC-DC变换器为研究对象，针对传统带电流传感器PI控制存在的硬件成本高、采样误差大、动态响应滞后、稳态精度有限等问题，开展无电流传感器模型预测控制策略研究。本文详细阐述了串联型谐振DAB变换器的拓扑结构、核心元件功能及多模式移相控制机制，采用单重移相控制为核心调制方案并预留多移相扩展接口，构建了基于模型观测的无电流传感器MPC控制体系。
通过与传统带电流传感器PI控制的对比分析可得：无电流传感器MPC控制策略无需依赖物理电流采样器件，可有效简化变换器硬件架构、降低设备成本、提升系统运行可靠性；同时凭借超前预测、动态最优调控的特性，显著提升了变换器的稳态控制精度与动态抗扰能力，有效解决了传统PI控制滞后调节、工况适配性差的短板。此外，该控制方案具备良好的可拓展性，可兼容多重移相控制模式，能够适配新能源并网、储能充放电、车载供电等复杂工况需求，为高性能、低成本双向隔离DC-DC变换器的设计与工程应用提供了可行的技术方案。
后续可基于本文预留的多移相控制接口，进一步优化算法，结合双重、三重移相控制的优势，进一步降低变换器环流损耗、拓宽软开关工作范围，全面提升变换器的运行效率与工况适配能力。
📚第二部分——运行结果
无电流传感器模型预测MPC串联型谐振DAB模型
2.1 仿真模型
2.2 采用MPC控制时的输出波形
2.3 采用PI控制器控制时的输出波形
🎉第三部分——参考文献
文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)
1-电力电子变压器的双有源全桥DC-DC变换器模型预测控制及其功率均衡方法
2-ModelPredictivePower_Control_for_Bidirectional_Series_Resonant_Isolated_DCDC_Converters_With_Steady-State_and_Dynamic_Performance_Optimization
3-Model_Predictive_Power_Control_for_Bidirectional_Series-Resonant_Isolated_DCDC_Converters_With_Fast_Dynamic_Response_in_Locomotive_Traction_System
🌈第四部分——本文完整资源下载
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