4. Boost电路开环升压特性测试

任务说明

本案例在Simulink中搭建Cuk变换器开环仿真模型，通过观察电感电流、电容电压及输出电压波形，验证Cuk变换器通过耦合电容传输能量的特性。Cuk变换器拓扑如图1所示，其核心特征在于能量经中间耦合电容C1由输入侧传递至输出侧，输出电压极性与输入相反。

Simulink模型搭建

新建Simulink模型，从Simscape/Electrical/Specialized Power Systems库中添加以下元件：直流电压源（DC Voltage Source）、MOSFET开关、二极管、两个电感L1/L2、耦合电容C1、滤波电容C2、电阻负载R、Pulse Generator（脉冲发生器）以及电压/电流测量模块。按图1拓扑连接，注意Cuk变换器的输入输出共地，但输出电压极性相反。

关键参数设置如下：输入电压Vin=24V，开关频率f=50kHz（周期20μs），占空比D=0.4，L1=L2=100μH，C1=47μF，C2=100μF，负载R=10Ω。Pulse Generator参数：Amplitude=15V（驱动MOSFET），Period=20e-6s，Pulse Width=40%。仿真算法选择ode23tb，最大步长设为1e-7s以保证开关瞬态精度，仿真时长设为5ms（250个开关周期），使电路达到稳态。

% Cuk变换器开环仿真参数与模型搭建脚本
% 适用于Simulink模型 'Cuk_OpenLoop.slx'

clear; clc;

% ===== 电路参数 =====
Vin = 24;           % 输入电压 (V)
Vout_target = -12;  % 目标输出电压 (V, 反极性)
D = Vout_target / (Vin - Vout_target); % 占空比 D = |Vout|/(Vin+|Vout|) = 12/(24+12)=0.333
fsw = 100e3;        % 开关频率 (Hz)
Ts = 1/fsw;         % 开关周期

% ===== 元件参数（按连续导通模式CCM设计）=====
L1 = 220e-6;        % 输入电感 (H)
L2 = 220e-6;        % 输出电感 (H)
C1 = 100e-6;        % 耦合电容 (F)
C2 = 220e-6;        % 输出电容 (F)
R = 10;             % 负载电阻 (Ohm)

% ===== 仿真参数 =====
t_end = 5e-3;       % 仿真时长 (s)，5ms足够达到稳态

% ===== 生成PWM脉冲（用于Simulink中PWM发生器或手动开关）=====
% 若使用理想开关+脉冲发生器，可设置脉冲周期Ts，脉冲宽度D*Ts
pulse_period = Ts;
pulse_width = D*Ts;

% ===== 在MATLAB工作区保存变量，供Simulink模型使用 =====
assignin('base', 'Vin', Vin);
assignin('base', 'D', D);
assignin('base', 'fsw', fsw);
assignin('base', 'Ts', Ts);
assignin('base', 'L1', L1);
assignin('base', 'L2', L2);
assignin('base', 'C1', C1);
assignin('base', 'C2', C2);
assignin('base', 'R', R);
assignin('base', 't_end', t_end);
assignin('base', 'pulse_period', pulse_period);
assignin('base', 'pulse_width', pulse_width);

disp('Cuk变换器参数已写入工作区。请在Simulink模型中使用这些变量。');
disp('建议模型结构：');
disp('  Vin -> [L1] -> 节点A -> [C1] -> 节点B -> [L2] -> [C2//R] -> 地');
disp('  开关S1: 节点A到地 (MOSFET)');
disp('  二极管D1: 节点B到地 (阴极接节点B)');
disp('  脉冲发生器: 周期pulse_period, 脉宽pulse_width, 驱动S1');
disp('  注意：输出电压为负，测量时用电压传感器或直接测R两端电压(上正下负为负值)');

验证与观测

运行仿真后，通过Scope观察以下关键波形：

• 输出电压Vout：稳态值应约为-16V（理论值Vout=-D/(1-D)×Vin=-0.4/0.6×24=-16V），验证反极性降压特性；
• 耦合电容C1两端电压VC1：稳态值应约为40V（理论值VC1=Vin/(1-D)=24/0.6=40V），该电压高于输入电压，是能量传递的中间桥梁；
• 电感电流iL1与iL2：均为连续三角波，平均值分别为输入电流和输出电流，验证电感伏秒平衡；
• 开关管漏源电压VDS：关断时应承受VC1电压（约40V），验证开关应力。

判定标准：输出电压纹波小于5%（即|Vout-(-16V)|<0.8V），且VC1稳定在40V±2V范围内，即可判定Cuk变换器通过耦合电容C1完成能量传输的功能验证通过。若输出电压极性为正或VC1远偏离理论值，应检查二极管方向、MOSFET驱动时序或电容C1连接极性。