3. PWM调制与门极驱动信号生成
在电力电子控制算法中，控制器算出的占空比只是一个数值，真正驱动开关管的是具有确定频率、幅值和死区的门极脉冲。本节围绕“占空比如何变成可靠的互补PWM信号”展开，重点讲清载波比较法的实现、死区时间的设置与补偿、Simulink中PWM模块的使用，以及Buck电路占空比到输出电压的传递特性仿真。
一、载波比较法PWM生成原理
载波比较法是最基础也最通用的PWM生成方式。其核心思想是：将调制波（通常是控制器的占空比指令）与一个高频周期性载波进行比较，比较结果决定开关管的通断状态。在Simulink中，载波通常选择三角波或锯齿波，频率即开关频率 fsw。
以三角载波为例，设载波幅值为1，调制波为占空比指令 d（0~1），则比较逻辑为：当 d > carrier 时输出高电平，否则输出低电平。这样得到的脉冲占空比等于 d，且每个开关周期内脉冲位置由载波相位决定。若采用锯齿波，则脉冲总是从周期起点开始，适合边沿对齐调制；三角波则产生中心对齐PWM，谐波特性更好，在电机控制和DC-DC中更常用。
在Simulink中，可以用 Repeating Sequence 模块生成三角波，再用 Relational Operator 与 d 比较，最后通过 Data Type Conversion 输出 double 或 boolean 信号。但更推荐直接使用 PWM Generator (2-Level) 模块，它内部已集成载波和比较逻辑，只需设置开关频率和调制方式即可。
二、死区时间设置与补偿
互补PWM驱动半桥时，上下管不能同时导通，否则直流母线会通过两个开关管短路，即“直通”。因此必须在上下管切换之间插入一段两者都关断的时间，称为死区时间 t_dead。典型IGBT死区为1~3 μs，SiC MOSFET可小至100~500 ns。
死区会导致实际输出电压偏离理想值：在死区期间，负载电流由续流二极管续流，输出电压由电流方向决定，产生一个与电流方向相关的误差电压。设开关频率为 fsw，死区占空比误差为 Δd = t_dead · fsw。若 t_dead = 2 μs，fsw = 20 kHz，则 Δd = 0.04，即4%的占空比损失，对低压输出影响显著。
死区补偿的基本思路是：根据负载电流方向，在占空比指令上叠加一个修正量。当电流为正（流出桥臂）时，实际占空比偏小，应补偿 +Δd；电流为负时补偿 -Δd。在Simulink中，可以用 Sign 模块检测电流方向，乘以 Δd 后加到占空比指令上。注意补偿量不宜过大，否则会引起过零畸变，通常取 0.8·Δd 左右。
三、Simulink中PWM发生器模块使用
Simulink的 PWM Generator (2-Level) 模块位于 Simscape/Electrical/Specialized Power Systems 库中。关键参数包括：
- Generator type：可选择
Complementary (2 pulses)输出互补PWM，或Single pulse输出单路PWM。 - Mode：
Unipolar单极性、Bipolar双极性，或Phase-shift移相。 - Carrier frequency：开关频率，如
20e3Hz。 - Sample time：建议设为
1/(100*fsw)以保证载波分辨率。 - Dead time：可直接填入死区时间，模块会自动在互补脉冲间插入死区。
若需要更灵活的控制，也可用 Compare to Zero 配合 Transport Delay 手动搭建死区逻辑。但模块化方式更不易出错，适合课程仿真。
四、互补PWM与单极性/双极性调制
互补PWM指同一桥臂上下管驱动信号严格反相，并插入死区。单极性调制中，两个桥臂分别用独立调制波比较，输出电平在 +Vdc、0、-Vdc 之间切换，谐波集中在2倍开关频率附近，EMI较小。双极性调制中，两个桥臂使用同一调制波的反相信号，输出在 +Vdc 和 -Vdc 之间切换，谐波在开关频率附近，但控制简单。
对于Buck电路，由于是单开关管加续流二极管，不存在互补问题，但若用同步Buck，则上下管互补，必须设置死区。此时占空比 d 直接决定输出电压 Vout = d · Vin（连续导通模式）。
五、Buck电路占空比到输出电压传递特性仿真
在Simulink中搭建Buck电路：直流源 Vin = 24 V，开关管用 MOSFET，二极管用 Diode，电感 L = 100 μH，电容 C = 470 μF，负载 R = 5 Ω，开关频率 fsw = 20 kHz。PWM发生器输出占空比 d 从0.1到0.9扫描，记录稳态输出电压。
仿真结果应接近 Vout = d · Vin。例如 d = 0.5 时 Vout ≈ 12 V；d = 0.8 时 Vout ≈ 19.2 V。若考虑二极管压降 Vf = 0.7 V，则 Vout = d · (Vin - Vf) - (1-d)·Vf，在低压时偏差更明显。通过 To Workspace 记录 Vout 和 d，再用 plot 绘制传递曲线，可直观看到线性区与非线性区。
通过上述仿真，可以定量看到：理想情况下 Vout 与 d 呈线性关系；加入死区后，实际输出在相同 d 下略低，且低占空比时偏差比例更大。补偿后曲线重新靠近理想线，验证了死区补偿的必要性。这一过程完整展示了从PWM生成、死区处理到功率级传递特性的闭环验证思路，为后续闭环控制器设计打下基础。