Dlaczego mój prosty przetwornik podwyższający napięcie daje mi tak wysokie szczytowe napięcie wyjściowe?

Próbuję zrozumieć podstawy przełączania zasilania w trybie symulacji w LTSpice.

Chciałem zbudować niesamowicie prosty układ przetwornika podwyższającego napięcie zgodnie z modelem nauczania często podawanym w podręcznikach, ale nie mogę w ogóle zachowywać się tak, jak się tego spodziewam, prawdopodobnie dlatego, że w praktyce rzeczy wyglądają zupełnie inaczej :)

Oto schemat wyeksportowany z LTSpice (zauważ, że używa symboli ISO; komponent po prawej to rezystor):

Napięcie zasilania wynosi 5 V i staram się zwiększyć go do 12 V przy prądzie obciążenia 1 A lub mocy wyjściowej 12 W. Wybrałem częstotliwość przełączania 20 kHz. Zgodnie z moją matematyką potrzebuję do tego cyklu roboczego 0,583, więc czas włączenia powinien wynosić 29,15 µs. Zakładając sprawność wynoszącą 0,90, moc wejściowa wyniesie 13,34 W, a prąd wejściowy 2,67 A.

Założenia, które mogą wpędzać mnie w kłopoty:

• Być może wydajność jest całkowicie nierealistyczna w przypadku tak prostego projektu, a mój prąd wejściowy jest znacznie wyższy, niż się spodziewam.
• Początkowo nie obchodziło mnie tętnienie, więc losowo wybrałem cewkę i kondensator.
• Być może częstotliwość przełączania była zbyt mała.

Przeprowadziłem symulację z czasem 10ms (powinno być widoczne na grafice).

Oczekiwałem, że zobaczę napięcie 5 V, być może z niewielkim tętnieniem, w punkcie 2 (między cewką indukcyjną i NMOS) oraz napięcie 12 V z tętnieniem w punkcie 3 (między diodą i kondensatorem).

Zamiast tego wychodzi coś, co wygląda jak całkowity chaos - dostaję napięcie szczytowe 23 V, które oscyluje wokół 11,5 V w punkcie 2 i nieco niższe napięcie szczytowe nieco ponad 22,5 V, które oscyluje wokół 17 V w punkcie 3:

Na przeczucie, że moja częstotliwość przełączania może być zbyt niska, próbowałem zwiększyć ją do 200 kHz (T = 5µs, Ton = 2,915µs) i teraz dostaję coś więcej, czego szukałem, czyli napięcie szczytowe 12,8 V przy punkt 2 (oscylujący między tym a 0 V) ​​i pikiem 12V w punkcie 3 (oscylujący około 11,8 V):

Napięcie było znaczne. Próbowałem zwiększyć rozmiar induktora do 100µH, ale wszystko, co wydawało się mieć wpływ, to oscylacja startowa. Zwiększyłem więc pojemność do 10µF i wydawało się, że to działa, oscylacja napięcia w punkcie 3 jest znacznie mniejsza. Powyższy obraz przedstawia wynik z kondensatorem 10µF.

Moje pytania brzmią zatem:

• co jest nie tak z moim oryginalnym modelem?
• czy 20kHz jest całkowicie nierealistyczną częstotliwością przełączania (wydaje się dziwna, że ​​tak byłoby)?
• jeśli chciałbym częstotliwość przełączania 20 kHz, co muszę zmienić, aby obwód działał zgodnie z oczekiwaniami? O wiele większy induktor?
• czy to normalne, że napięcie po stronie wejściowej jest podobne do napięcia po stronie wyjściowej, gdy obwód osiągnie stan ustalony?
• jakiego równania powinienem użyć do wymiarowania kondensatora?

Wzmocnienie działa w trybie przewodzenia nieciągłego lub DCM (prąd cewki indukcyjnej spada do zera w każdym cyklu przełączania). Cykl pracy staje się funkcją obciążenia, a także cyklu pracy. Jeśli zwiększysz obciążenie, wartość induktora lub częstotliwość przełączania, dojdziesz do punktu, w którym zobaczysz swoją regulację tam, gdzie tego oczekujesz - nazywa się to CCM lub trybem ciągłego przewodzenia. Prąd indukcyjny nie spada do zera, ale płynie w sposób ciągły. Twoja formuła cyklu pracy będzie obowiązywać tutaj.

20 kHz jest bardzo wolne dla przetwornika podwyższającego. 14 szczytowy prąd cewki indukcyjnej jest również nierealny. Większość konwerterów podwyższających PFC działa w zakresie od 70 do 100 kHz. Przetwornice o niższej częstotliwości zazwyczaj wymagają większych cewek indukcyjnych. Jeśli chcesz osiągnąć CCM przy 20 kHz, potrzebujesz znacznie większej wartości indukcyjności doładowania. Wypróbuj 470uH w swojej symulacji, a zobaczysz napięcie bliższe 12V. (Jeśli posiadasz kontroler w swoim modelu, automatycznie dostosuje on cykl pracy, aby osiągnąć 12V niezależnie od działania CCM lub DCM).

Ponieważ twój konwerter jest tak mocno przekształcony w DCM, napięcie w węźle przełączającym przypomina napięcie wyjściowe. Jeśli zbliżysz się do CCM, zobaczysz wyraźniejszy obraz.

W tej symulacji kondensator jest tak dobrany, aby zwis napięcia włączania (spowodowany obciążeniem) nie był nadmierny. W prawdziwym życiu istnieją inne parametry, które mają znaczenie (ogólna stabilność pętli, prąd tętnienia i ocena żywotności), które należy wziąć pod uwagę, wraz z odpowiednim wyborem MOSFET, zwrotnym odzyskiem i miękkością diody podwyższającej ...

Z wybranymi przez siebie wartościami składowymi rzeczywiście lepiej jest pracować z częstotliwością 200 kHz. Nawet przy 200 kHz uważam, że bardziej odpowiedni kondensator wyjściowy może być bardziej podobny do 33 lub 47 uF.

Jeśli używasz idealnego induktora bez określonej rezystancji szeregowej, sugerowałbym wypróbowanie jednego z realistycznych induktorów z biblioteki LTSpice, takiego jak Coiltronics CTX10-3. Ten ma DCR 0,028 oma. Pomoże to zmniejszyć początkowy wzrost prądu rozruchowego.

Należy również pamiętać, że realistyczna konstrukcja z rzeczywistym przełączającym kontrolerem VR ma funkcję łagodnego rozruchu, która stopniowo podnosi cykl pracy PWM do poziomu roboczego bez ogromnego wstępnego wzrostu. Również kontroler monitorowałby napięcie wyjściowe za pomocą dzielnika i porównywał je z odniesieniem, aby stale dostosowywać cykl pracy PWM, regulując w ten sposób napięcie wyjściowe.

Miałem również problemy z tym obwodem w LTspice. Nie sądzę, że mój problem był dokładnie taki sam jak twój, ale jest to jedyny przyzwoity wynik podczas wyszukiwania „ltspice boost converter”, więc zamieszczę tutaj swoją odpowiedź.

Oto rzeczy, które zrobiłem źle:

1. Użyłem ogólnego modelu „nmos”. To nie działa Nie wiem dlaczego, ale wydaje się, że ma naprawdę wysoką odporność nawet w dziwnym stanie włączania. W każdym razie sposobem na to jest umieszczenie ogólnych nmos, następnie kliknij prawym przyciskiem myszy i kliknij „Wybierz nowy tranzystor”, a następnie wybierz jeden z listy, np. IRFP4667.

2. Mój kondensator filtrujący był zbyt duży. Oznacza to, że napięcie wyjściowe ustala się w sekundach (dobrze w prawdziwym życiu, ale irytujące w symulacji).

Oto mój ostatni tor:

Szczegóły (prawdopodobnie nie krytyczne):

• Dałem źródłu napięcia 5V oporność szeregową 1 om.
• Cewka indukcyjna ma rezystancję szeregową 6 omów.
• Parametry ciągu impulsów wynoszą Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Jeśli ktoś wie, dlaczego standardowy model nmos nie działa, daj mi znać!

Powiedziałeś: „Chciałem zbudować niezwykle prosty obwód przetwornika podwyższającego napięcie”. Chciałem zrobić to samo i zbudowałem wielu Joule Thief w LTSpice, i umieściłem to w tej samej kategorii - The Joule Thief jest tak naprawdę samooptymalizującym się konwerterem boostów przebranym za obwód hobbysty, ale nauczyłem się dużo o konwerterach podwyższających parametry od zwiększania parametrów Złodzieja Dżuli. A ponieważ sam się optymalizuje, prawie zawsze coś robi i daje poczucie, jak każdy aspekt obwodu wpływa na rzeczy. Oto złodziej Joule, z którym możesz zadzierać:

To jest jeden sposób. Ale...

Jeśli chcesz połączyć eksperymenty Joule Thief w LTSpice z podejściem podobnym do przepisu, poszukaj kilku 34063 arkuszy danych, takich jak MC34063A z ON Semi . Istnieje tabela, która podaje receptury dla konwertera boost, konwertera buck i odwróconego konwertera boost.

Oto schemat konwertera doładowania:

A oto tabela formuły, którą należy śledzić krok po kroku od góry do dołu:

Jeśli naprzemiennie bawisz się tymi dwoma kierunkami, uważam, że możesz „nauczyć się” tej intuicji, którą chcesz zdobyć.

Nie mogłem znaleźć MC34063 w bibliotece LTSpice, ale możesz przejść ćwiczenie ze stołu, a następnie wyciągnąć Joule Thief lub dowolny układ konwertera boost z biblioteki LTSPice i podłączyć komponenty, które dał ci dany scenariusz, i powinno być blisko tego, czego chcesz, a następnie możesz go ulepszyć. HTH.