Frequenze di commutazione minime nei convertitori boost

Perché le frequenze di commutazione per i convertitori boost sono superiori alla gamma di 100 kHz?

Se capisco correttamente, quando la frequenza aumenta da 100kHz verso l'alto, la corrente di ondulazione creata dall'induttore diminuisce, la variazione di corrente nel tempo diminuisce nell'induttore e i componenti possono essere più piccoli perché non devono occuparsi di più grandi ( relative) correnti. Tuttavia, vengono contrastati dalla riduzione dell'efficienza derivante dalla commutazione delle perdite nel MOSFET, nonché dalle perdite dal nucleo dell'induttore.

Quindi, dato che è possibile aumentare l'efficienza diminuendo la frequenza, perché le frequenze di commutazione non si verificano in intervalli inferiori; la gamma 100Hz-10kHz, per esempio? Le attuali variazioni che l'induttore deve affrontare sono troppo elevate e le perdite resistive del cablaggio dell'induttore iniziano a dominare come la principale fonte di perdita di potenza?

Perché le frequenze di commutazione per i convertitori boost sono superiori alla gamma di 100 kHz?

Un potente convertitore boost potrebbe funzionare nella gamma bassa / media kHz e potrebbe farlo perché i transistor di potenza utilizzati sono dispositivi intrinsecamente lenti. Il trucco è operare a una frequenza in cui le perdite statiche sono approssimativamente uguali alle perdite dinamiche.

Se capisco correttamente, quando la frequenza aumenta da 100kHz verso l'alto, la corrente di ondulazione creata dall'induttore diminuisce, la variazione di corrente nel tempo diminuisce nell'induttore e i componenti possono essere più piccoli perché non devono occuparsi di più grandi ( relative) correnti.

La corrente di ondulazione imposta la scena per quanta energia viene immagazzinata dall'induttore e data ciclicamente al condensatore. A frequenze più alte questo trasferimento viene eseguito più volte al secondo, quindi, per la stessa potenza erogata a un carico, la corrente di ondulazione potrebbe essere inferiore ma ciò non fornisce la stessa potenza (energia proporzionale alla corrente al quadrato) e quindi l'induttanza ha da ridurre e ciò aumenta la corrente di ondulazione. Se provi a considerare la possibilità di eseguire la modalità di conduzione discontinua o continua, non è così chiaro come potresti pensare.

I componenti possono essere più piccoli, sì.

Tuttavia, vengono contrastati dalla riduzione dell'efficienza derivante dalla commutazione delle perdite nel MOSFET, nonché dalle perdite dal nucleo dell'induttore.

Sì e no. Le perdite di commutazione aumentano, ma alcune perdite core diminuiscono come la saturazione. Tuttavia, le perdite di corrente parassita (solitamente inferiori alla saturazione del nucleo) tenderanno ad aumentare ed è per questo che si osserva uno sviluppo significativo nel rendere i core adatti per la commutazione sopra 1 MHz.

Quindi, dato che è possibile aumentare l'efficienza diminuendo la frequenza, perché le frequenze di commutazione non si verificano in intervalli inferiori; la gamma 100Hz-10kHz, per esempio?

Alle basse frequenze la saturazione dell'induttore è un fattore importante: abbassare la frequenza e le perdite di saturazione possono improvvisamente schizzare alle stelle. Se si mantiene l'equilibrio tra perdite dinamiche e statiche nei MOSFET, di solito è la frequenza migliore a cui puntare (come accennato in precedenza).

Le attuali variazioni che l'induttore deve affrontare sono troppo elevate e le perdite resistive del cablaggio dell'induttore iniziano a dominare come la principale fonte di perdita di potenza?

Una frequenza più bassa significa meno energia trasferita al secondo e questo significa che devi correre a correnti più elevate (per la stessa potenza) ma non ti ossessionare. L'esecuzione di CCM (modalità di conduzione continua) significa che la corrente di ondulazione può essere molto piccola per trasferire la stessa energia.

Due motivi ...

1. Frequenze più elevate consentono di utilizzare componenti più piccoli, più economici e più leggeri.

2. Sotto una certa frequenza (circa 50 KHz) si genera rumore udibile. All'estremità più alta farà impazzire i tuoi animali domestici, più in basso farà impazzire te e i tuoi utenti.

Il trucco è di raggiungere un equilibrio. Rendi la frequenza abbastanza alta da limitare i costi, mentre abbastanza bassa da essere in grado di trovare interruttori adeguati che non siano troppo persi.

C'è anche un altro compromesso. Le frequenze più basse significano più increspature che devi affrontare, ma poi le alte frequenze significano più rumore EMI.

Ottenere il giusto equilibrio è un po 'un'arte.

Esistono molti fattori diversi che determinano la scelta della frequenza di commutazione per qualsiasi convertitore. Uno di questi è la magnetica e le dimensioni del condensatore che tendono a ridursi con l'aumentare della frequenza. Se si abbassa la frequenza, non solo questi componenti diventano più grandi, ma si soffre anche di rumore acustico quando si entra nella gamma audio. Il secondo fattore importante è l'efficienza. Se si commuta permanentemente a 100 kHz in condizioni di carico leggero, le perdite di commutazione influiranno sull'efficienza alla grande. Di conseguenza, molti convertitori cc / cc implementano oggi una cosiddetta modalità di foldback della frequenza che riduce la frequenza di commutazione man mano che la corrente di carico si alleggerisce. Migliora molto l'efficienza. I controller di solito smettono di piegarsi oltre i 20 kHz per motivi di rumore acustico ed entrano nel ciclo di salto se la corrente di carico cala ulteriormente.

Un fattore importante è la frequenza di crossover che di solito viene selezionata ben al di sotto della metà della frequenza di commutazione. Ad esempio, se desideri un crossover aggressivo a 50 kHz, puoi vedere che con un a 100 kHz non rispetterà il criterio di Nyquist. Ad esempio, spingere a 250 kHz. Tuttavia, è necessario tenere presente il cattivo zero a mezzo piano destro (RHPZ) che affligge tutti i convertitori di trasferimento di energia indiretta come le strutture boost o buck-boost. Un RHPZ è la rappresentazione matematica del ritardo inerente all'operazione di boost: prima immagazzinare energia nell'induttanzaF s w F s w L V o u t ω z = R L ( 1 - D ) $f_c$$F_{sw}$$F_{sw}$$L$quindi rilasciarlo sul carico. Se la domanda attuale aumenta, non è possibile rispondere istantaneamente come con un convertitore buck in quanto è necessario prima immagazzinare più energia nell'induttore. Se non riesci a farlo perché non c'è abbastanza volt-secondo o l'induttore è troppo grande, allora prima scende e hai momentaneamente invertito la legge di controllo fino a quando la corrente dell'induttore si accumula al valore giusto. Combatti questo RHPZ (in modalità tensione o corrente, stessa posizione) adottando una frequenza di crossover inferiore del 30% rispetto alla posizione RHPZ più bassa. Per un convertitore boost gestito in modalità di conduzione continua (CCM), l'RHPZ si trova in modo da vedere che l'adozione di una più piccola$V_{out}$ LFs$\omega_z=\frac{{R_L}(1-D)^2}{L}$$L$premendo la frequenza di commutazione, l'RHPZ viene retrocesso più alto (quindi maggiore larghezza di banda) ed è un altro parametro da tenere in considerazione quando si seleziona .$F_{sw}$

Quindi abbiamo visto dimensioni dei componenti, rumore acustico, frequenza di crossover e, naturalmente, EMI. L'IME è un grande criterio nella selezione della frequenza di commutazione in base a ciò che il convertitore boost fornirà (una testina sensibile alla RF, circuiti di misurazione ecc.) O quale standard è necessario superare. Ad esempio, nonostante la possibilità di passare a una frequenza molto più elevata, la stragrande maggioranza degli adattatori ca-cc per notebook funziona a 65 kHz. Perché? Poiché la seconda armonica è inferiore a 150 kHz, la frequenza iniziale dello standard CISPR22. Quindi, se si tiene conto dell'attenuazione armonica naturale, si potrebbe avere meno lavoro per ridurre la commutazione del livello di emissione a 65 kHz (perché si tratterà diH $H_2$$H_3$già inferiore) piuttosto che con il fondamentale a piena potenza se si passa a 200 kHz. Spero che non sia stata troppa verbosità! :)