Perché il mio semplice convertitore boost mi fornisce una tensione di uscita di picco così elevata?

Sto cercando di comprendere i fondamenti dell'alimentazione in modalità switch tramite una simulazione in LTSpice.

Volevo costruire un circuito convertitore boost incredibilmente semplice seguendo un modello di insegnamento spesso fornito nei libri di testo, ma non riesco a far sì che questa cosa si comporti come mi aspetto, probabilmente perché le cose sono molto diverse nella pratica :)

Ecco il diagramma schematico esportato da LTSpice (nota che utilizza simboli ISO; il componente a destra è un resistore):

La tensione di alimentazione è di 5 V e sto cercando di aumentarla a 12 V con una corrente di carico di 1 A o una potenza di uscita di 12 W. Ho selezionato una frequenza di commutazione di 20kHz. Per la mia matematica, ho bisogno di un ciclo di lavoro di 0,583 per fare questo, quindi il tempo di puntamento dovrebbe essere 29.15 µs. Supponendo un'efficienza di 0,90, la potenza di ingresso sarà 13,34 W e la corrente di ingresso 2,67 A.

Ipotesi che potrebbero mettermi nei guai:

• Forse l'efficienza è totalmente irrealistica per un design così semplice e la mia corrente di input è molto più alta di quanto mi aspetto.
• Inizialmente non mi importava molto dell'ondulazione, quindi ho scelto l'induttore e il condensatore in modo casuale.
• Forse la frequenza di commutazione era troppo piccola.

Ho eseguito la simulazione con un tempo di 10 ms (dovrebbe essere visibile nel grafico).

Quello che mi aspettavo di vedere è una tensione di 5 V, forse con una leggera ondulazione, nel punto 2 (tra l'induttore e il NMOS) e una tensione di 12 V con un'ondulazione nel punto 3 (tra il diodo e il condensatore).

Invece, ciò che viene fuori è quello che sembra un caos totale: ottengo una tensione di picco di 23 V che oscilla intorno a 11,5 V al punto 2 e una tensione di picco leggermente inferiore di poco più di 22,5 V che oscilla intorno a 17 V al punto 3:

Pensando che la mia frequenza di commutazione potrebbe essere troppo bassa, ho provato ad aumentarla a 200kHz (T = 5µs, Ton = 2.915µs) e ora ho qualcosa di più simile a quello che stavo cercando, che è una tensione di picco di 12,8 V a punto 2 (oscillante tra quello e 0 V) ​​e un picco di 12V nel punto 3 (oscillante circa 11,8 V):

C'è stata un'ondulazione significativa nella tensione. Ho provato ad aumentare la dimensione dell'induttore a 100µH ma tutto ciò che sembrava influenzare era l'oscillazione di avvio. Quindi ho aumentato la capacità a 10µF, e sembrava funzionare, l'oscillazione della tensione al punto 3 è molto più piccola. L'immagine sopra è il risultato con un condensatore da 10µF.

Le mie domande, quindi, sono:

• cosa c'è di sbagliato nel mio modello originale?
• 20kHz è una frequenza di commutazione completamente irrealistica (sembra strano che sarebbe)?
• se volevo una frequenza di commutazione di 20 kHz, cosa devo cambiare per far funzionare il circuito come previsto? Un induttore molto più grande?
• è normale che la tensione sul lato di ingresso sia simile alla tensione sul lato di uscita quando il circuito ha raggiunto uno stato stazionario?
• quale equazione dovrei usare per dimensionare il condensatore?

Il tuo boost funziona in modalità di conduzione discontinua o DCM (la corrente dell'induttore va a zero ogni ciclo di commutazione). Il duty cycle diventa una funzione del carico e del duty cycle. Se aumenti il ​​carico, il valore dell'induttore o la frequenza di commutazione, raggiungerai un punto in cui vedrai la tua regolazione dove te lo aspetti - questo si chiama CCM, o modalità di conduzione continua. La corrente dell'induttore non scende a zero, ma scorre continuamente. La formula del tuo ciclo di lavoro sarà valida qui.

20 kHz è molto lento per un convertitore boost. Anche la corrente di picco dell'induttore 14A non è realistica. La maggior parte dei convertitori boost PFC funzionano da 70 a 100 kHz. I convertitori di frequenza più bassi in genere necessitano di induttori più grandi. Se vuoi ottenere CCM a 20kHz, avrai bisogno di un valore di induttanza di boost molto più grande. Prova 470uH nella tua simulazione e vedrai la tensione più vicina a 12V. (Se avessi un controller nel tuo modello, regolerebbe automaticamente il duty cycle per raggiungere 12V indipendentemente dal funzionamento CCM o DCM).

Poiché il convertitore è così pesantemente in DCM, la tensione del nodo di commutazione assomiglia alla tensione di uscita. Se ti avvicini a CCM, vedrai un'immagine più chiara.

Per questa simulazione, il condensatore è dimensionato in modo tale che l'abbassamento della tensione di accensione (causato dal carico) non sia eccessivo. Nella vita reale, ci sono altri parametri che contano (stabilità complessiva del circuito, corrente di ondulazione e valutazione della durata) che è necessario considerare, insieme alla scelta MOSFET corretta, al ripristino inverso e alla morbidezza del diodo boost ...

Con i valori dei componenti che hai selezionato, è davvero più adatto per funzionare con la frequenza di 200kHz. Anche a 200kHz trovo che un condensatore di uscita più adatto possa essere più simile a 33 o 47uF.

Se stai usando un induttore ideale senza una resistenza in serie equivalente specificata, ti suggerirei di provare uno degli induttori realistici della libreria LTSpice come Coiltronics CTX10-3. Quello ha un DCR di 0,028 ohm. Ciò contribuirà a ridurre l'impulso iniziale della corrente di avvio.

Si noti inoltre che un design realistico con un controller VR di commutazione effettivo avrebbe una funzione di avvio graduale che porta gradualmente il ciclo di lavoro PWM al suo livello operativo senza l'enorme aumento iniziale. Inoltre un controller monitorerebbe la tensione di uscita tramite un divisore e lo confronterebbe con un riferimento per regolare continuamente il ciclo di lavoro PWM regolando così la tensione di uscita.

Ho anche avuto problemi con questo circuito in LTspice. Non penso che il mio problema sia stato esattamente uguale al tuo, ma questo è l'unico risultato decente quando cerco "convertitore boost ltspice", quindi inserirò la mia risposta qui.

Ecco le cose che ho fatto di sbagliato:

1. Ho usato il modello generico "nmos". Non funziona Non so perché, ma sembra che abbia una resistenza molto alta anche nello stato on che è strano. Ad ogni modo, il modo per risolverlo è posizionare il nmos generico, quindi fare clic con il pulsante destro del mouse e fare clic su "Scegli nuovo transistor", quindi sceglierne uno dall'elenco, ad esempio IRFP4667.

2. Il mio condensatore di filtraggio era troppo grande. Ciò significa che la tensione di uscita impiega nell'ordine dei secondi per stabilizzarsi (bene nella vita reale, ma fastidiosa in una simulazione).

Ecco il mio circuito finale:

Dettagli (probabilmente non critico):

• Ho dato alla sorgente di tensione a 5 V una resistenza in serie di 1 ohm.
• L'induttore ha una resistenza in serie di 6 ohm.
• I parametri del treno di impulsi sono Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Se qualcuno sa perché il modello nmos standard non funziona fammi sapere!