Почему мой простой повышающий преобразователь дает мне такое высокое пиковое выходное напряжение?

Я пытаюсь понять основы импульсного источника питания с помощью симуляции в LTSpice.

Я хотел построить мучительно простую схему повышающего преобразователя, следуя модели обучения, часто приводимой в учебниках, но я не могу заставить эту вещь вести себя так, как я ожидаю, вероятно, потому что на практике все совсем по-другому :)

Вот схематическая диаграмма, экспортированная из LTSpice (обратите внимание, что она использует символы ISO; компонент справа является резистором):

Напряжение питания составляет 5 В, и я стараюсь увеличить его до 12 В с током нагрузки 1 А или выходной мощностью 12 Вт. Я выбрал частоту переключения 20 кГц. По моей математике мне нужен рабочий цикл 0,583, чтобы сделать это, поэтому время должно быть 29,15 мкс. Предполагая КПД 0,90, входная мощность будет 13,34 Вт, а входной ток - 2,67 А.

Предположения, которые могут доставить мне неприятности:

• Возможно, эффективность совершенно нереальна для такой простой конструкции, и мой входной ток намного выше, чем я ожидаю.
• Первоначально меня не волновали пульсации, поэтому я просто выбрал индуктор и конденсатор случайным образом.
• Возможно, частота переключения была слишком мала.

Я запустил симуляцию со временем 10 мс (должно быть видно на графике).

То, что я ожидал увидеть, это напряжение 5 В, возможно, с небольшой пульсацией в точке 2 (между индуктором и NMOS) и напряжение 12 В с пульсацией в точке 3 (между диодом и конденсатором).

Вместо этого получается то, что выглядит как полный хаос - я получаю пиковое напряжение 23 В, которое колеблется около 11,5 В в точке 2, и немного более низкое пиковое напряжение чуть более 22,5 В, которое колеблется около 17 В в точке 3:

Предполагая, что моя частота переключения может быть слишком низкой, я попытался увеличить ее до 200 кГц (T = 5 мкс, тонна = 2,915 мкс), и теперь я получаю нечто большее, чем то, что я искал, - это пиковое напряжение 12,8 В при точка 2 (колебание между этим и 0 В) и пик 12 В в точке 3 (колебание около 11,8 В):

Было значительное колебание напряжения. Я попытался увеличить размер индуктора до 100 мкГн, но, похоже, все, что он влиял, - это колебания при запуске. Поэтому я увеличил емкость до 10 мкФ, и, похоже, это сработало, колебание напряжения в точке 3 намного меньше. Изображение выше - результат с конденсатором 10 мкФ.

Мои вопросы, то, являются:

• что не так с моей оригинальной моделью?
• 20 кГц - это совершенно нереальная частота переключения (кажется странным, что это будет)?
• если я хотел переключить частоту 20 кГц, что мне нужно изменить, чтобы схема работала как положено? Гораздо больший индуктор?
• нормально ли, чтобы напряжение на входной стороне было похоже на напряжение на выходной стороне, когда цепь достигла устойчивого состояния?
• какое уравнение я должен использовать для определения размера конденсатора?

Ваш буст работает в режиме прерывистой проводимости или DCM (ток индуктивности обнуляется в каждом цикле переключения). Рабочий цикл становится функцией нагрузки и рабочего цикла. Если вы увеличите нагрузку, значение индуктивности или частоту переключения, вы достигнете точки, где вы увидите свое регулирование, где вы ожидаете, - это называется CCM, или режим непрерывной проводимости. Ток индуктора не падает до нуля, а непрерывно течет. Ваша формула рабочего цикла будет действительна здесь.

20 кГц очень медленный для повышающего преобразователя. 14А пиковый ток индуктора также нереально. Большинство повышающих преобразователей PFC работают от 70 до 100 кГц. Для преобразователей с более низкой частотой обычно требуются индукторы большего размера. Если вы хотите добиться CCM при 20 кГц, вам понадобится намного большее значение индуктивности усиления. Попробуйте 470uH в вашей симуляции, и вы увидите напряжение ближе к 12V. (Если бы в вашей модели был контроллер, он автоматически регулировал бы рабочий цикл для достижения 12 В независимо от работы СКК или DCM).

Поскольку ваш преобразователь так сильно в DCM, напряжение узла коммутации напоминает выходное напряжение. Если вы приблизитесь к СКК, вы увидите более четкую картину.

Для этого моделирования размер конденсатора таков, что провал напряжения при включении (вызванный нагрузкой) не будет чрезмерным. В реальной жизни есть другие важные параметры (общая стабильность контура, пульсация тока и номинальный ресурс), которые вы должны учитывать, наряду с правильным выбором MOSFET, обратное восстановление и мягкость диода-бустера ...

С выбранными вами значениями компонентов действительно лучше работать с частотой 200 кГц. Даже на частоте 200 кГц я считаю, что более подходящий выходной конденсатор может быть больше похож на 33 или 47 мкФ.

Если вы используете идеальный индуктор без указания эквивалентного последовательного сопротивления, я бы посоветовал вам попробовать один из реалистичных индукторов из библиотеки LTSpice, например Coiltronics CTX10-3. У этого DCR составляет 0,028 Ом. Это поможет уменьшить начальный скачок тока запуска.

Также обратите внимание, что реалистичный дизайн с фактическим переключающим VR-контроллером будет иметь функцию плавного пуска, которая постепенно поднимает рабочий цикл ШИМ до рабочего уровня без огромного начального скачка. Также контроллер будет контролировать выходное напряжение через делитель и сравнивать его с эталоном, чтобы непрерывно регулировать рабочий цикл ШИМ, регулируя, таким образом, выходное напряжение.

У меня также были проблемы с этой схемой в LTspice. Я не думаю, что моя проблема была точно такой же, как ваша, но это единственный достойный результат при поиске «ltspice boost converter», поэтому я выложу свой ответ здесь.

Вот что я сделал неправильно:

1. Я использовал общую модель "Nmos". Не работает Я не знаю почему, но кажется, что он имеет очень высокое сопротивление даже во включенном состоянии, что странно. В любом случае, способ исправить это - разместить общий nmos, затем щелкнуть по нему правой кнопкой мыши и нажать «Выбрать новый транзистор», затем выбрать один из списка, например, IRFP4667.

2. Мой фильтрующий конденсатор был слишком большим. Это означает, что выходное напряжение занимает порядка секунд, чтобы установить (хорошо в реальной жизни, но раздражает в симуляции).

Вот моя последняя схема:

Детали (вероятно, не критичные):

• Я дал источнику напряжения 5 В последовательное сопротивление 1 Ом.
• Индуктор имеет последовательное сопротивление 6 Ом.
• Параметры последовательности импульсов: Ton = 8 мкс, Toff = 2 мкс (T = 10 мкс; 100 кГц).

Если кто-нибудь знает, почему стандартная модель nmos не работает, дайте мне знать!