¿Por qué es mi simple convertidor boost darme un alto pico de la tensión de salida?

Question

Estoy tratando de entender de modo de interruptor de suministro de energía de los fundamentos a través de una simulación en LTSpice.

Quería construir un terriblemente simple convertidor boost circuito siguiendo un modelo de enseñanza a menudo se da en los libros de texto, pero no puedo llevar esto a comportarse en todo como esperaba, probablemente porque las cosas son muy diferentes en la práctica :)

Aquí está el diagrama esquemático exportado de LTSpice (tenga en cuenta que se utiliza ISO símbolos; el componente de la derecha es una resistencia):

La tensión de alimentación es de 5V y estoy tratando de aumentar de 12 v con una corriente de carga 1A, o de una potencia de 12W. He seleccionado una frecuencia de conmutación de los 20kHz. Según mis cuentas, tengo un ciclo de trabajo de 0.583 para ello, por lo que el tiempo debe ser 29.15 µs. Suponiendo una eficiencia de 0.90, la potencia de entrada será 13.34 W y la corriente de entrada 2.67 A.

Hipótesis que pueden ser meterme en problemas:

• Tal vez la eficiencia es totalmente poco realista para un diseño de este simple y mi corriente de entrada es mucho mayor de lo que espero.
• Inicialmente no me importa mucho acerca de rizo por lo que me acaba de recoger el inductor y el condensador de forma aleatoria.
• Tal vez la frecuencia de conmutación era demasiado pequeño.

Me encontré con la simulación con un tiempo de 10 ms (debe ser visible en el gráfico).

Lo que yo esperaba ver es un voltaje de 5V, tal vez con una ligera ondulación, en el punto 2 (entre el inductor y el NMOS) y un voltaje de 12V con una ondulación en el punto 3 (entre el diodo y el condensador).

En cambio, lo que sale es lo que parece caos total llego un pico de voltaje de 23V que oscila alrededor de 11.5 V en el punto 2 y un poco menor pico de voltaje de poco más de 22.5 V que oscila en torno a 17V en el punto 3:

En el presentimiento de que mi frecuencia de conmutación podría ser demasiado baja, traté de aumentar a 200 khz (T=5µs, Ton=2.915 µs) y ahora tengo algo más parecido a lo que yo estaba buscando, que es un pico de voltaje de 12.8 V en el punto 2 (oscilando entre eso y 0V) y un máximo de 12 v en el punto 3 (que oscila alrededor de 11.8 V):

No fue significativa rizado en el voltaje. He intentado aumentar el tamaño del inductor a 100µH pero todo esto parecía afectar fue el inicio de la oscilación. Así que el aumento de la capacitancia a 10µF, y que parecía funcionar, la oscilación de voltaje en el punto 3 es mucho menor. La imagen de arriba es el resultado con un capacitor de 10µF.

Mis preguntas, entonces, son:

• lo que está mal con mi modelo original?
• es 20kHz totalmente imposibles de conmutación frecuencia de conmutación (parece extraño que sería)?
• si quería un 20 khz frecuencia de conmutación, ¿qué tengo que cambiar para que el circuito funcione como se esperaba? Una mucho más grande inductor?
• es normal que el voltaje en el lado de entrada a ser similar a la del voltaje en el lado de salida cuando el circuito ha alcanzado el estado estacionario?
• ¿qué ecuación se debe usar para el tamaño del capacitor?

Answer 1

Su boost funciona en modo de conducción discontinua o DCM (la corriente del inductor llega a cero en cada ciclo de conmutación). El ciclo de trabajo se convierte en una función de la carga así como del ciclo de trabajo. Si aumentas la carga, el valor del inductor o la frecuencia de conmutación, llegarás a un punto en el que verás tu regulación donde la esperas - esto se llama CCM, o modo de conducción continua. La corriente del inductor no cae a cero, sino que fluye continuamente. Su fórmula de ciclo de trabajo será válida aquí.

20 kHz es muy lento para un convertidor boost. La corriente de pico del inductor de 14 A tampoco es realista. La mayoría de los convertidores PFC boost funcionan entre 70 y 100 kHz. Los convertidores de menor frecuencia suelen necesitar inductores más grandes. Si quieres conseguir un CCM a 20kHz, necesitarás un valor de inductancia boost mucho mayor. Pruebe con 470uH en su simulación y verá el voltaje más cercano a 12V. (Si tuviera un controlador en su modelo, éste ajustaría automáticamente el ciclo de trabajo para lograr 12V independientemente de la operación CCM o DCM).

Como tu convertidor está muy metido en DCM, la tensión del nodo de conmutación se parece a la tensión de salida. Si te acercas a CCM, verás una imagen más clara.

Para esta simulación, el condensador se dimensiona de forma que la caída de tensión de conexión (causada por la carga) no sea excesiva. En la vida real, hay otros parámetros que importan (estabilidad general del bucle, corriente de rizado y vida útil) que debes tener en cuenta, junto con la elección adecuada del MOSFET, la recuperación inversa y la suavidad del diodo de refuerzo...

Answer 2

Con los valores de los componentes que has seleccionado sí que es más adecuado funcionar con la frecuencia de 200kHz. Incluso a 200kHz me parece que un condensador de salida más adecuado puede ser más bien 33 o 47uF.

Si estás utilizando un inductor ideal sin una resistencia en serie equivalente especificada, te sugiero que pruebes uno de los inductores realistas de la biblioteca de LTSpice, como el Coiltronics CTX10-3. Este tiene una DCR de 0,028 ohmios. Eso ayudará a reducir el pico inicial de la corriente de arranque.

También hay que tener en cuenta que un diseño realista con un controlador VR de conmutación real tendría una función de arranque suave que lleva gradualmente el ciclo de trabajo PWM hasta su nivel de funcionamiento sin el enorme aumento inicial. Además, un controlador supervisaría la tensión de salida a través de un divisor y la compararía con una referencia para ajustar continuamente el ciclo de trabajo PWM, regulando así la tensión de salida.

Answer 3

También he tenido problemas con este circuito en LTspice. No creo que mi problema fuera exactamente el mismo que el tuyo pero este es el único resultado decente al buscar "ltspice boost converter" así que pondré mi respuesta aquí.

Aquí están las cosas que hice mal:

1. He utilizado el modelo genérico "nmos". No funciona. No sé por qué, pero parece que tiene una resistencia muy alta incluso en el estado de encendido, lo cual es extraño. De todos modos, la forma de arreglarlo es colocar el nmos genérico, luego hacer clic con el botón derecho y hacer clic en "Pick new transistor", luego elegir uno de la lista, por ejemplo, IRFP4667.

2. Mi condensador de filtrado era demasiado grande. Esto significa que la tensión de salida tarda del orden de segundos en estabilizarse (bien en la vida real, pero molesto en una simulación).

Aquí está mi circuito final:

Detalles (probablemente no sean críticos):

• He dado a la fuente de tensión de 5V una resistencia en serie de 1 ohmio.
• El inductor tiene una resistencia en serie de 6 ohmios.
• Los parámetros del tren de pulsos son Ton = 8us, Toff = 2us (T=10us; 100 kHz).

Si alguien sabe por qué el modelo estándar de nmos no funciona, que me lo diga.

Answer 4

Dijiste: "Quería construir un circuito convertidor boost insoportablemente sencillo". Yo quería hacer lo mismo, y construí muchos Joule Thief en LTSpice, y lo pongo en la misma categoría -- El Joule Thief es en realidad un convertidor boost auto-optimizado disfrazado de circuito de aficionado, pero he aprendido mucho sobre los convertidores boost al modificar los parámetros del Joule Thief. Y como es auto-optimizado, casi siempre hace algo y te da una idea de cómo afecta cada aspecto del circuito. Aquí tienes un Ladrón de Joules para que te entretengas con él:

Así que, esa es una forma. Pero...

Si quieres enlazar los experimentos de Joule Thief en LTSpice con un enfoque similar al de las recetas, busca un un par de hojas de datos del 34063 así MC34063A de ON Semi . Hay una tabla que da recetas de fórmulas para el convertidor boost, el convertidor buck y el convertidor boost invertido.

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Este es el esquema del convertidor boost:

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Y aquí está la tabla de fórmulas, que hay que seguir paso a paso de arriba a abajo:

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Si alternas el juego con estas dos direcciones, creo que puedes "enseñarte" algo de esa intuición que quieres conseguir.

No he podido encontrar un MC34063 en la biblioteca de LTSpice, pero puedes hacer el ejercicio de la tabla, y luego sacar un Joule Thief o cualquier chip convertidor de boost de la biblioteca de LTSPice, y conectar los componentes que te ha dado el escenario, y debería estar cerca de lo que quieres, y luego puedes ajustarlo. HTH.