1. Buck电路开环PWM占空比调节
任务说明
本案例在Simulink中搭建一个Buck变换器开环仿真模型，输入电压48V，目标输出电压12V，开关频率100kHz。通过改变PWM占空比，观察输出电压稳态值随占空比线性变化的关系，验证Buck电路基本工作原理。
模型搭建
使用Simulink基础模块搭建，不依赖Simscape电气专业库，仅使用Simulink/Simscape基础模块库中的电气元件。模型由以下部分组成：
- 直流电源：48V DC Voltage Source
- 开关管：MOSFET（理想开关模型），由PWM信号驱动
- 二极管：Diode（续流二极管）
- LC滤波器：电感L=100μH，电容C=470μF，负载电阻R=10Ω
- PWM发生器：PWM Generator模块，载波频率100kHz
- 测量与显示：Voltage Sensor测量输出电压，Scope显示波形
参数设置
关键参数如下表：
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 输入电压 Vin | 48 V | 直流母线电压 |
| 电感 L | 100 μH | 决定电流纹波 |
| 电容 C | 470 μF | 决定输出电压纹波 |
| 负载 R | 10 Ω | 额定负载 |
| 开关频率 fsw | 100 kHz | PWM载波频率 |
| 占空比 D | 0.25～0.75 | 仿真中手动调节 |
Simulink模型搭建步骤
- 新建Simulink模型，从Simscape/Electrical/Passive Elements库中添加Resistor、Inductor、Capacitor；从Semiconductors库中添加MOSFET和Diode；从Electrical Sources库中添加DC Voltage Source。
- 按Buck拓扑连接：电源正极→MOSFET漏极，MOSFET源极→电感→电容正极→负载→电源负极；二极管阳极接MOSFET源极与电感连接点，阴极接电源正极（即二极管与MOSFET并联，方向为阳极接开关节点）。
- 使用Simulink-PS Converter和PS-Simulink Converter连接控制信号与电气信号。PWM Generator输出连接至MOSFET的gate端口。
- 在电感与电容连接节点处接Voltage Sensor，输出经PS-Simulink Converter后接Scope。
- 设置求解器为ode23tb，仿真时间0.01s（1000个开关周期），最大步长1e-6s以保证PWM分辨率。
% 在Buck变换器开环仿真模型中，用于计算输出电压的MATLAB Function模块代码
function Vout = buck_output(Vin, D)
% Vin: 输入电压 (V)
% D: 占空比 (0~1)
Vout = Vin * D;
end仿真验证
分别设置PWM占空比为0.25、0.50、0.75，运行仿真并记录输出电压稳态值。理论预期：Vout = D × Vin，即分别为12V、24V、36V。观察Scope中输出电压波形从零开始上升，经过约2～3ms暂态后进入稳态，稳态电压值应与理论值一致，纹波峰峰值应小于稳态值的2%。
判定标准
- 输出电压稳态值与理论值偏差小于5%
- 输出电压纹波峰峰值小于稳态值的5%
- 改变占空比后，输出电压随D线性变化，验证Buck变换器开环电压传输比关系
注意：本模型使用理想开关模型，未考虑开关损耗、导通压降和寄生参数，适用于验证Buck电路基本工作原理。实际硬件调试需在此基础上增加死区时间、驱动电路和寄生参数建模。
运行与观测
完成模型搭建后，依次设置PWM占空比为0.25、0.50、0.75并运行仿真。在Scope中观察输出电压波形：启动阶段输出电压从0V开始按LC二阶特性上升，经过约2～3ms暂态振荡后收敛至稳态值。记录稳态输出电压，与理论值对比验证Buck变换器电压传输比关系。