Warum gibt mir mein einfacher Hochsetzsteller eine so hohe Ausgangsspitzenspannung?

Ich versuche, die Grundlagen des Schaltnetzteils durch eine Simulation in LTSpice zu verstehen.

Ich wollte eine unheimlich einfache Hochsetzstellerschaltung bauen, die einem Lehrmodell folgt, das oft in Lehrbüchern angegeben wird, aber ich kann dieses Ding nicht so verhalten, wie ich es erwarte, wahrscheinlich, weil die Dinge in der Praxis sehr unterschiedlich sind :)

Hier ist die schematische Darstellung, die aus LTSpice exportiert wurde (beachten Sie, dass ISO-Symbole verwendet werden; die Komponente rechts ist ein Widerstand):

Die Versorgungsspannung beträgt 5V und ich versuche, sie mit einem Laststrom von 1A oder einer Ausgangsleistung von 12W auf 12V zu erhöhen. Ich habe eine Schaltfrequenz von 20kHz gewählt. Meines Wissens nach benötige ich einen Arbeitszyklus von 0,583, daher sollte die Einschaltdauer 29,15 µs betragen. Bei einem Wirkungsgrad von 0,90 beträgt die Eingangsleistung 13,34 W und der Eingangsstrom 2,67 A.

Annahmen, die mich in Schwierigkeiten bringen könnten:

• Vielleicht ist die Effizienz für ein so einfaches Design völlig unrealistisch und mein Eingangsstrom ist viel höher als ich erwartet habe.
• Anfänglich interessierte mich Welligkeit nicht sonderlich, also wählte ich die Induktivität und den Kondensator nach dem Zufallsprinzip aus.
• Möglicherweise war die Schaltfrequenz zu klein.

Ich habe die Simulation mit einer Zeit von 10ms ausgeführt (sollte in der Grafik sichtbar sein).

Was ich erwartet hatte, war eine Spannung von 5 V, möglicherweise mit einer leichten Welligkeit an Punkt 2 (zwischen der Induktivität und dem NMOS) und eine Spannung von 12 V mit einer Welligkeit an Punkt 3 (zwischen der Diode und dem Kondensator).

Stattdessen kommt heraus, was wie totales Chaos aussieht - ich erhalte eine Spitzenspannung von 23 V, die bei Punkt 2 um 11,5 V schwingt, und eine etwas niedrigere Spitzenspannung von etwas mehr als 22,5 V, die bei Punkt 3 um 17 V schwingt:

In der Annahme, dass meine Schaltfrequenz zu niedrig sein könnte, habe ich versucht, sie auf 200 kHz zu erhöhen (T = 5µs, Ton = 2,915µs), und jetzt erhalte ich etwas Ähnliches wie das, wonach ich gesucht habe, was einer Spitzenspannung von 12,8 V entspricht Punkt 2 (oszillierend zwischen diesem und 0 V) ​​und eine Spitze von 12 V bei Punkt 3 (oszillierend um 11,8 V):

Es gab eine signifikante Welligkeit in der Spannung. Ich habe versucht, die Größe des Induktors auf 100µH zu erhöhen, aber alles, was es zu beeinflussen schien, war die Anlaufschwingung. Also habe ich die Kapazität auf 10µF erhöht, und das schien zu funktionieren, die Spannungsoszillation bei Punkt 3 ist viel kleiner. Das obige Bild ist das Ergebnis mit einem 10µF Kondensator.

Meine Fragen sind also:

• Was ist los mit meinem Originalmodell?
• ist 20kHz eine völlig unrealistische Schaltfrequenz (kommt mir merkwürdig vor)?
• Wenn ich eine Schaltfrequenz von 20 kHz haben wollte, was muss ich ändern, damit die Schaltung wie erwartet funktioniert? Ein viel größerer Induktor?
• Ist es normal, dass die Spannung auf der Eingangsseite der Spannung auf der Ausgangsseite entspricht, wenn der Stromkreis den eingeschwungenen Zustand erreicht hat?
• Welche Gleichung sollte ich verwenden, um den Kondensator zu dimensionieren?

Ihr Boost arbeitet im diskontinuierlichen Leitungsmodus oder DCM (Induktorstrom geht bei jedem Schaltzyklus auf Null). Das Tastverhältnis wird eine Funktion der Last sowie des Tastverhältnisses. Wenn Sie die Last, den Induktivitätswert oder die Schaltfrequenz erhöhen, erreichen Sie einen Punkt, an dem Sie Ihre Regelung dort sehen, wo Sie sie erwarten - dies wird als CCM oder kontinuierlicher Leitungsmodus bezeichnet. Der Induktivitätsstrom fällt nicht auf Null, sondern fließt kontinuierlich. Ihre Arbeitszyklusformel ist hier gültig.

20 kHz ist für einen Hochsetzsteller sehr langsam. Ein Induktionsspitzenstrom von 14 A ist ebenfalls unrealistisch. Die meisten PFC-Aufwärtswandler arbeiten von 70 bis 100 kHz. Niedrigere Frequenzumrichter benötigen im Allgemeinen größere Induktivitäten. Wenn Sie eine CCM bei 20 kHz erreichen möchten, benötigen Sie einen viel größeren Wert für die Boost-Induktivität. Versuchen Sie 470uH in Ihrer Simulation und Sie sehen die Spannung näher an 12V. (Wenn Sie einen Controller in Ihrem Modell haben, wird der Arbeitszyklus automatisch angepasst, um 12 V unabhängig von CCM- oder DCM-Betrieb zu erreichen.)

Weil Ihr Konverter so stark auf DCM eingestellt ist, ähnelt die Schaltknotenspannung der Ausgangsspannung. Wenn Sie sich CCM nähern, sehen Sie ein klareres Bild.

Bei dieser Simulation ist der Kondensator so dimensioniert, dass der Spannungsabfall beim Einschalten (durch die Last verursacht) nicht zu groß ist. Im wirklichen Leben sind andere Parameter von Bedeutung (allgemeine Schleifenstabilität, Welligkeitsstrom und Lebensdauer), die Sie zusammen mit der richtigen Auswahl des MOSFETs, der Sperrerholung und der Weichheit der Boost-Diode berücksichtigen müssen ...

Mit den von Ihnen ausgewählten Komponentenwerten ist es in der Tat geeigneter, mit der 200-kHz-Frequenz zu arbeiten. Sogar bei 200 kHz finde ich, dass ein geeigneterer Ausgangskondensator eher 33 oder 47 uF entspricht.

Wenn Sie einen idealen Induktor ohne entsprechenden Serienwiderstand verwenden, empfehle ich Ihnen, einen der realistischen Induktoren aus der LTSpice-Bibliothek wie den Coiltronics CTX10-3 zu verwenden. Dieser hat einen DCR von 0,028 Ohm. Dies wird dazu beitragen, den anfänglichen Anstieg des Anlaufstroms zu verringern.

Beachten Sie auch, dass ein realistisches Design mit einem tatsächlich schaltenden VR-Controller eine Sanftanlauffunktion aufweist, die den PWM-Arbeitszyklus allmählich auf das Betriebsniveau bringt, ohne dass der große anfängliche Anstieg auftritt. Ein Controller überwacht die Ausgangsspannung über einen Teiler und vergleicht sie mit einer Referenz, um das PWM-Tastverhältnis kontinuierlich anzupassen und so die Ausgangsspannung zu regulieren.

Ich hatte auch Probleme mit dieser Schaltung in LTspice. Ich glaube nicht, dass mein Problem genau dasselbe war wie deins, aber dies ist das einzig vernünftige Ergebnis bei der Suche nach "Ltspice Boost Converter", also werde ich meine Antwort hier setzen.

Hier sind die Dinge, die ich falsch gemacht habe:

1. Ich habe das generische "nmos" -Modell verwendet. Es funktioniert nicht Ich weiß nicht warum, aber es scheint, dass es einen wirklich hohen Widerstand hat, selbst im eingeschalteten Zustand, der seltsam ist. Wie auch immer, Sie können das Problem beheben, indem Sie die generischen nmos platzieren, mit der rechten Maustaste darauf klicken und auf "Neuen Transistor auswählen" klicken und dann einen aus der Liste auswählen, z. B. IRFP4667.

2. Mein Filterkondensator war viel zu groß. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung in der Größenordnung von Sekunden zum Einschwingen benötigt (in der Praxis in Ordnung, in einer Simulation jedoch ärgerlich).

Hier ist meine letzte Runde:

Details (wahrscheinlich nicht kritisch):

• Ich habe der 5V Spannungsquelle einen Vorwiderstand von 1 Ohm gegeben.
• Die Induktivität hat einen Vorwiderstand von 6 Ohm.
• Die Impulsfolgeparameter sind Ton = 8 us, Toff = 2 us (T = 10 us; 100 kHz).

Wenn jemand weiß, warum das Standard-NMOS-Modell nicht funktioniert, lass es mich wissen!