Mengapa konverter boost sederhana saya memberi saya tegangan output puncak yang tinggi?

Saya mencoba memahami dasar-dasar catu daya switch-mode melalui simulasi di LTSpice.

Saya ingin membangun rangkaian konverter boost yang luar biasa sederhana mengikuti model pengajaran yang sering diberikan dalam buku pelajaran, tapi saya tidak bisa membuat hal ini berperilaku sama sekali seperti yang saya harapkan, mungkin karena hal-hal yang sangat berbeda dalam praktiknya :)

Berikut adalah diagram skematik yang diekspor dari LTSpice (perhatikan bahwa ia menggunakan simbol ISO; komponen di sebelah kanan adalah sebuah resistor):

Tegangan suplai adalah 5V dan saya ingin meningkatkannya ke 12V dengan arus beban 1A, atau daya output 12W. Saya memilih frekuensi switching 20kHz. Dengan matematika saya, saya memerlukan siklus tugas 0,583 untuk melakukan ini, jadi waktu yang tepat adalah 29,15 μs. Dengan asumsi efisiensi 0,90, daya input akan menjadi 13,34W dan arus input 2,67A.

Asumsi yang mungkin membuat saya mendapat masalah:

• Mungkin efisiensi sama sekali tidak realistis untuk desain sesederhana ini dan arus input saya jauh lebih tinggi daripada yang saya harapkan.
• Awalnya saya tidak terlalu peduli dengan riak jadi saya hanya memilih induktor dan kapasitor secara acak.
• Mungkin frekuensi switching terlalu kecil.

Saya menjalankan simulasi dengan waktu 10ms (harus terlihat dalam grafik).

Apa yang saya harapkan adalah tegangan 5V, mungkin dengan sedikit riak, pada titik 2 (antara induktor dan NMOS) dan tegangan 12V dengan riak pada titik 3 (antara dioda dan kapasitor).

Sebaliknya, yang keluar adalah apa yang tampak seperti kekacauan total - saya mendapatkan tegangan puncak 23V yang berosilasi sekitar 11.5V pada titik 2 dan tegangan puncak yang sedikit lebih rendah hanya lebih dari 22.5V yang berosilasi sekitar 17V pada titik 3:

Pada firasat bahwa frekuensi switching saya mungkin terlalu rendah, saya mencoba meningkatkannya menjadi 200kHz (T = 5μs, Ton = 2,915μs) dan sekarang saya mendapatkan sesuatu yang lebih seperti apa yang saya cari, yang merupakan tegangan puncak 12,8V pada titik 2 (berosilasi antara itu dan 0V) dan puncak 12V pada titik 3 (berosilasi sekitar 11.8V):

Ada riak signifikan pada tegangan. Saya mencoba meningkatkan ukuran induktor menjadi 100μH tetapi yang tampaknya hanya mempengaruhi osilasi startup. Jadi saya meningkatkan kapasitansi menjadi 10μF, dan itu sepertinya berhasil, osilasi tegangan pada titik 3 jauh lebih kecil. Gambar di atas adalah hasil dengan kapasitor 10μF.

Pertanyaan saya adalah:

• apa yang salah dengan model asli saya?
• 20kHz adalah frekuensi switching yang sama sekali tidak realistis (sepertinya aneh kalau itu terjadi)?
• jika saya menginginkan frekuensi switching 20kHz, apa yang harus saya ubah untuk membuat rangkaian berfungsi seperti yang diharapkan? Induktor yang jauh lebih besar?
• Apakah normal jika tegangan pada sisi input sama dengan tegangan pada sisi keluaran ketika rangkaian telah mencapai kondisi mapan?
• persamaan apa yang harus saya gunakan untuk mengukur kapasitor?

Peningkatan Anda beroperasi dalam mode konduksi terputus atau DCM (arus induktor menjadi nol setiap siklus switching). Siklus tugas menjadi fungsi beban serta siklus tugas. Jika Anda menambah beban, nilai induktor, atau frekuensi switching, Anda akan mencapai titik di mana Anda akan melihat peraturan di tempat yang Anda harapkan - ini disebut CCM, atau mode konduksi kontinu. Arus induktor tidak jatuh ke nol, tetapi terus mengalir. Formula siklus tugas Anda akan valid di sini.

20 kHz sangat lambat untuk konverter boost. 14A arus induktor puncak juga tidak realistis. Kebanyakan konverter penambah PFC beroperasi dari 70 hingga 100 kHz. Konverter frekuensi yang lebih rendah umumnya membutuhkan induktor yang lebih besar. Jika Anda ingin mencapai CCM pada 20kHz, Anda akan membutuhkan nilai induktansi dorongan jauh lebih besar. Coba 470uH dalam simulasi Anda dan Anda akan melihat tegangan lebih dekat ke 12V. (Jika Anda memiliki pengontrol dalam model Anda, itu akan secara otomatis menyesuaikan siklus tugas untuk mencapai 12V terlepas dari operasi CCM atau DCM).

Karena konverter Anda sangat ke DCM, tegangan switching node menyerupai tegangan output. Jika Anda lebih dekat ke CCM, Anda akan melihat gambar yang lebih jelas.

Untuk simulasi ini, kapasitor berukuran sedemikian rupa sehingga sakelar voltase on-time sakelar (disebabkan oleh beban) tidak berlebihan. Dalam kehidupan nyata, ada parameter lain yang penting (stabilitas loop keseluruhan, arus riak dan peringkat hidup) yang harus Anda pertimbangkan, bersama dengan pilihan MOSFET yang tepat, pemulihan terbalik dan kelembutan ...

Dengan nilai-nilai komponen yang telah Anda pilih itu memang lebih cocok untuk dijalankan dengan frekuensi 200kHz. Bahkan pada 200kHz saya menemukan bahwa kapasitor keluaran yang lebih cocok mungkin lebih seperti 33 atau 47uF.

Jika Anda menggunakan induktor ideal tanpa perlawanan seri ekivalen yang ditentukan, maka saya akan menyarankan Anda mencoba salah satu induktor realistis dari pustaka LTSpice seperti Coiltronics CTX10-3. Yang satu itu memiliki DCR 0,028 ohm. Itu akan membantu mengurangi lonjakan awal dari arus startup.

Juga perhatikan bahwa desain realistis dengan kontroler VR switching aktual akan memiliki fitur soft start yang secara bertahap membawa siklus tugas PWM ke tingkat operasinya tanpa lonjakan awal yang besar. Pengontrol juga akan memonitor tegangan output melalui pembagi dan membandingkannya dengan referensi untuk terus menyesuaikan siklus tugas PWM sehingga mengatur tegangan output.

Saya juga punya masalah dengan sirkuit ini di LTspice. Saya tidak berpikir masalah saya persis sama dengan Anda, tetapi ini adalah satu-satunya hasil yang layak ketika mencari "ltspice boost converter" jadi saya akan memberikan jawaban saya di sini.

Inilah beberapa hal yang saya lakukan salah:

1. Saya menggunakan model generik "nmos". Itu tidak bekerja. Saya tidak tahu mengapa, tetapi sepertinya itu memiliki resistensi yang sangat tinggi bahkan di negara yang aneh. Bagaimanapun, cara untuk memperbaikinya adalah dengan menempatkan nmos generik, kemudian klik kanan dan klik "Pilih transistor baru", lalu pilih satu dari daftar, misalnya IRFP4667.

2. Kapasitor penyaringan saya terlalu besar. Ini berarti tegangan output membutuhkan urutan detik untuk menyelesaikan (baik dalam kehidupan nyata, tetapi menjengkelkan dalam simulasi).

Inilah sirkuit terakhir saya:

Detail (mungkin tidak kritis):

• Saya memberi sumber tegangan 5V resistansi seri 1 ohm.
• Induktor memiliki resistansi seri 6 ohm.
• Parameter pulse train adalah Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Jika ada yang tahu mengapa model nmos standar tidak berfungsi, beri tahu saya!