📚 课程目录第2章 Buck电路闭环电压模式控制仿真

2. Buck电路闭环电压模式控制仿真

任务说明

本案例在Simulink中搭建Boost变换器开环仿真模型，通过改变PWM占空比，观察输出电压的变化规律。完成模型后，可验证Boost电路在连续导通模式（CCM）下，输出电压与占空比的关系满足 V_out = V_in / (1−D)。

电路参数与建模依据

选用以下典型参数进行仿真：输入电压 V_in = 12V，电感 L = 330μH，电容 C = 470μF，负载电阻 R = 20Ω，开关频率 f_sw = 50kHz（周期 T = 20μs）。在上述参数下，电路工作在CCM模式。仿真模型由直流电压源、MOSFET开关管、二极管、电感、电容和电阻负载构成，PWM信号由Pulse Generator模块产生，占空比作为可调参数。

Simulink模型搭建步骤

在Simulink空白模型中按以下步骤搭建电路：

从Simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks库中添加：DC Voltage Source、MOSFET、Diode、Series RLC Branch（设置为电感L）、Series RLC Branch（设置为电容C）、Series RLC Branch（设置为电阻R）、Pulse Generator、Voltage Measurement、Scope。
按Boost拓扑连接：电源正极→电感→MOSFET漏极节点；MOSFET源极接地；二极管阳极接MOSFET漏极节点，阴极接输出节点；输出节点接电容正极与负载电阻上端，电容负极与负载下端接地。
Pulse Generator输出接MOSFET的g端；MOSFET的源极s与电源地之间需添加一个接地连接。
Voltage Measurement并联在负载电阻两端，输出接Scope。
设置Pulse Generator：Amplitude = 1，Period = 20e-6 s，Pulse Width = 占空比数值（如50表示50%）。
求解器设置为离散或ode23tb，仿真停止时间设为0.02s（约1000个开关周期），确保输出电压达到稳态。

仿真结果分析

分别设置占空比D = 0.4、0.5、0.6进行三次仿真，记录稳态输出电压平均值。根据Boost电路理想公式，理论输出电压分别为：

D = 0.4：V_out = 12 / (1−0.4) = 20V
D = 0.5：V_out = 12 / (1−0.5) = 24V
D = 0.6：V_out = 12 / (1−0.6) = 30V

由于二极管管压降和开关管导通损耗，仿真得到的稳态电压会略低于上述理论值，但应接近且随占空比增大而明显升高。通过Scope观察输出电压波形，待波形稳定后读取平均值，即可验证占空比对输出电压的升压控制作用。

% 在Boost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 = boost_openloop(Vin, D, R, L, C, fs)
    % 计算稳态输出电压（连续导通模式CCM）
    Vout = Vin / (1 - D);
    
    % 计算输出纹波电压（近似）
    delta_Vout = (D * Vout) / (R * C * fs);
    
    % 计算电感电流纹波
    delta_IL = (Vin * D) / (L * fs);
    
    % 输出结果（可添加disp用于调试）
    % disp(['稳态输出电压: ', num2str(Vout), ' V']);
    % disp(['输出纹波: ', num2str(delta_Vout), ' V']);
    % disp(['电感电流纹波: ', num2str(delta_IL), ' A']);
end

模型验证方法

完成模型搭建后，按以下步骤验证：

检查模型是否能够正常仿真且无编译错误。
在Scope中观察输出电压波形是否从0逐渐上升并最终稳定（无发散或振荡）。
分别运行三组不同占空比的仿真，记录稳态电压值。
将仿真值与理论公式计算值对比，误差在10%以内（主要因器件压降）即判定模型正确，且占空比越大输出电压越高的趋势必须成立。

关键仿真参数设置

在Simulink中完成模型搭建后，需确认以下关键模块参数：

Pulse Generator模块：Pulse type设为Time based，Time(t)设为Use simulation time，Period设为20e-6，Pulse Width设为对应占空比数值（40、50或60），Phase delay设为0。
MOSFET模块：需在Simscape Electrical中设置Ron（导通电阻）为0.1Ω，Snubber resistance设为1e5Ω以辅助数值收敛。
Diode模块：设置Ron为0.01Ω，Forward voltage为0.8V（模拟实际管压降）。
求解器：使用ode23tb（刚性求解器），相对容差设为1e-4，最大步长设为2e-6（开关周期的1/10），以保证PWM边沿捕捉精度。

判定标准

完成三组仿真后，若满足以下条件则本案例通过：

输出电压波形在0.01s后达到稳态，无持续振荡或发散。
三组占空比对应的稳态电压满足单调递增关系，且数值接近理论值（偏差小于10%）。
Scope中可清晰观察到输出电压随占空比增大而升高的趋势，证明开环模型正确反映了Boost变换器的升压特性。