基于MATLAB Simulink的双向DC-DC变换器仿真程序实现

一、系统架构设计

双向DC-DC变换器（Buck-Boost）可实现能量双向流动，适用于储能系统、微电网等场景。其核心包括：

主电路拓扑：非隔离型双向Buck-Boost电路（含MOSFET/IGBT、二极管、电感、电容）
控制策略：电压外环+电流内环双闭环控制，支持充放电模式切换
关键模块：PWM生成、死区时间设置、SOC估算（可选）

二、Simulink模型搭建步骤

1. 主电路建模

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%% 电力电子元件库调用
% 开关器件（MOSFET）
Q1 = powerlib.simscape.simscape.electrical.mosfet('R_ON', 0.001, 'V_TO', 3);
Q2 = powerlib.simscape.simscape.electrical.mosfet('R_ON', 0.001, 'V_TO', 3);
D1 = powerlib.simscape.simscape.electrical.diode('Vf', 0.7);
D2 = powerlib.simscape.simscape.electrical.diode('Vf', 0.7);

% 无源元件
L = 22e-6; % 电感值 (H)
C = 470e-6; % 电容值 (F)
R_load = 20; % 负载电阻 (Ω)

%% 电路拓扑连接
% 输入侧（直流母线）
Vin = 48; % 输入电压 (V)
bus = simscape.electrical.analog.ReferenceBus(V=Vin);

% 变换器主体
boost_inductor = simscape.electrical.analog.Inductor(L);
buck_inductor = simscape.electrical.analog.Inductor(L);
bus_cap = simscape.electrical.analog.Capacitor(C);

% 输出侧（电池/负载）
Vbat = 48; % 电池标称电压 (V)
bat = simscape.electrical.analog.ReferenceBus(V=Vbat);

2. 控制模块设计

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%% 双闭环控制实现
% 电压外环（PI控制器）
Vref = 48; % 目标电压 (V)
Kp_v = 0.8; Ki_v = 10;
v_pid = pid(Kp_v, Ki_v, 'IntegralAntiWindup', 'on');

% 电流内环（PI控制器）
Iref = 20; % 参考电流 (A)
Kp_i = 0.05; Ki_i = 200;
i_pid = pid(Kp_i, Ki_i, 'IntegralAntiWindup', 'on');

%% 模式切换逻辑
% 滞回比较器（防抖动）
hysteresis = 2; % 滞回带 (V)
[mode, ~] = compare(Vbus, Vref, 'UpperLimit', Vref+hysteresis, 'LowerLimit', Vref-hysteresis);

3. PWM生成与驱动

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%% PWM信号生成
fs = 50e3; % 开关频率 (Hz)
Ts = 1/fs; % 开关周期
duty = 0.4; % 初始占空比

% 死区时间设置（关键！）
dead_time = 1e-6; % 1μs
pwm_gen = simscape.electrical.analog.PulseGenerator(Ts, duty, 'DeadTime', dead_time);

三、完整Simulink模型连接

主电路连接

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% 输入侧连接
connect(bus, Q1.D, boost_inductor.P);
connect(boost_inductor.S, D1.A, bus_cap.P);

% 输出侧连接
connect(bus_cap.N, buck_inductor.S, D2.A);
connect(buck_inductor.P, Q2.S, bat);

控制回路连接

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% 电压反馈
v_sense = simscape.electrical.analog.Sensor('Terminal', 'bus', 'Measurement', 'Voltage');
v_err = subtract(v_ref, v_sense);
duty_v = v_pid(v_err);

% 电流反馈
i_sense = simscape.electrical.analog.Sensor('Terminal', 'bat', 'Measurement', 'Current');
i_err = subtract(Iref, i_sense);
duty_i = i_pid(i_err);

四、参数设置

参数	值/描述	说明
电感L	22μH	满足电流连续模式要求
电容C	470μF	抑制电压纹波
开关频率fs	50kHz	平衡效率与体积
死区时间	1μs	防止直通短路
PI参数（电压环）	Kp=0.8, Ki=10	保证电压稳定在±1%波动
PI参数（电流环）	Kp=0.05, Ki=200	快速动态响应

五、仿真结果分析

稳态波形 直流母线电压稳定在48V（误差<0.5%）电感电流连续平滑，无断流现象
动态响应 负载突变（如从20Ω突增至10Ω）时，电压恢复时间<20ms 模式切换（充→放）时电流过冲<8%

关键波形图

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% 绘制电压电流波形
figure;
subplot(2,1,1);
plot(t, Vbus, 'b', t, Vref, 'r--');
title('直流母线电压跟踪');
legend('实际值', '参考值');

subplot(2,1,2);
plot(t, Ibatt, 'g', t, Iref, 'm--');
title('电池电流控制');
legend('实际值', '参考值');

参考代码基于matlab中simulink模块箱的双向dcdc仿真程序 www.youwenfan.com/contentcsn/84740.html

六、调试技巧与注意事项

死区时间优化 过小（<0.5μs）易导致直通短路过大（>2μs）降低效率，建议通过仿真确定最佳值
电感饱和预防 在电感模型中添加饱和特性曲线仿真时监测电感电流峰值，确保低于额定值

硬件保护模拟

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% 过压/欠压保护逻辑
if Vbus > 52 || Vbus < 44
    trigger_protection('OV_UV');
    disable_PWM();
end