Tại sao bộ chuyển đổi tăng đơn giản của tôi cung cấp cho tôi điện áp đầu ra cực đại cao như vậy?

Tôi đang cố gắng để hiểu các nguyên tắc cơ bản cung cấp năng lượng chuyển đổi thông qua một mô phỏng trong LTSpice.

Tôi muốn xây dựng một mạch chuyển đổi tăng cường cực kỳ đơn giản theo mô hình giảng dạy thường được đưa ra trong sách giáo khoa, nhưng tôi không thể có được điều này để hành xử như tôi mong đợi, có lẽ bởi vì mọi thứ rất khác trong thực tế :)

Dưới đây là sơ đồ được xuất từ ​​LTSpice (lưu ý rằng nó sử dụng các ký hiệu ISO; thành phần bên phải là một điện trở):

Điện áp cung cấp là 5V và tôi đang tìm cách tăng nó lên 12V với dòng tải là 1A, hoặc công suất đầu ra là 12W. Tôi đã chọn tần số chuyển đổi là 20kHz. Theo toán học của tôi, tôi cần một chu kỳ nhiệm vụ 0,583 để làm điều này, vì vậy thời gian đúng sẽ là 29,15. Giả sử hiệu suất 0,90, công suất đầu vào sẽ là 13,34W và dòng điện đầu vào 2,67A.

Giả định có thể khiến tôi gặp rắc rối:

• Có lẽ hiệu quả là hoàn toàn không thực tế đối với một thiết kế đơn giản này và dòng điện đầu vào của tôi cao hơn nhiều so với tôi mong đợi.
• Ban đầu tôi không quan tâm lắm đến Ripple nên tôi chỉ chọn ngẫu nhiên cuộn cảm và tụ điện.
• Có lẽ tần số chuyển đổi quá nhỏ.

Tôi đã chạy mô phỏng với thời gian 10ms (sẽ hiển thị trong hình).

Những gì tôi dự kiến ​​sẽ thấy là điện áp 5V, có lẽ với một gợn nhẹ, tại điểm 2 (giữa cuộn cảm và NMOS) và điện áp 12 V với một gợn sóng tại điểm 3 (giữa diode và tụ điện).

Thay vào đó, những gì phát ra giống như sự hỗn loạn hoàn toàn - Tôi nhận được điện áp cực đại 23V dao động quanh mức 11,5V tại điểm 2 và điện áp cực đại thấp hơn một chút chỉ hơn 22,5V dao động quanh 17V tại điểm 3:

Theo linh cảm rằng tần số chuyển đổi của tôi có thể quá thấp, tôi đã thử tăng nó lên 200kHz (T = 5 lu, Ton = 2.915 Nhận) và bây giờ tôi nhận được một cái gì đó giống như những gì tôi đang tìm kiếm, đó là điện áp cực đại 12,8V tại điểm 2 (dao động giữa đó và 0V) và đỉnh 12 V tại điểm 3 (dao động khoảng 11,8V):

Có sự gợn đáng kể trong điện áp. Tôi đã thử tăng kích thước của cuộn cảm lên 100, nhưng tất cả những gì nó có vẻ ảnh hưởng là dao động khởi động. Vì vậy, tôi đã tăng điện dung lên 10 CFF, và dường như nó hoạt động, dao động điện áp ở điểm 3 nhỏ hơn nhiều. Hình ảnh trên là kết quả với một tụ 10 10FF.

Các câu hỏi của tôi, sau đó, là:

• Có gì sai với mô hình ban đầu của tôi?
• 20kHz là tần số chuyển đổi hoàn toàn phi thực tế (có vẻ lạ là nó sẽ xảy ra)?
• Nếu tôi muốn tần số chuyển đổi 20kHz, tôi phải thay đổi gì để làm cho mạch hoạt động như mong đợi? Một cuộn cảm lớn hơn nhiều?
• Có phải bình thường cho điện áp ở phía đầu vào tương tự như điện áp ở phía đầu ra khi mạch đã đạt đến trạng thái ổn định?
• Tôi nên sử dụng phương trình nào để kích thước tụ điện?

Tăng của bạn đang hoạt động ở chế độ dẫn không liên tục hoặc DCM (dòng điện dẫn về 0 mỗi chu kỳ chuyển mạch). Chu kỳ nhiệm vụ trở thành một chức năng của tải cũng như chu kỳ nhiệm vụ. Nếu bạn tăng tải, giá trị điện dẫn hoặc tần số chuyển đổi, bạn sẽ đạt đến điểm bạn sẽ thấy quy định của mình nơi bạn mong đợi - đây được gọi là CCM hoặc chế độ dẫn liên tục. Dòng điện dẫn không giảm về không, nhưng chảy liên tục. Công thức chu kỳ nhiệm vụ của bạn sẽ có hiệu lực ở đây.

20 kHz là rất chậm cho một bộ chuyển đổi tăng. Dòng điện dẫn cực đại 14A cũng không thực tế. Hầu hết các bộ chuyển đổi tăng cường PFC hoạt động từ 70 đến 100 kHz. Bộ biến đổi tần số thấp hơn thường cần cuộn cảm lớn hơn. Nếu bạn muốn đạt được CCM ở 20kHz, bạn sẽ cần giá trị tự cảm tăng lớn hơn nhiều. Hãy thử 470uH trong mô phỏng của bạn và bạn sẽ thấy điện áp gần hơn với 12V. (Nếu bạn có bộ điều khiển trong mô hình của mình, nó sẽ tự động điều chỉnh chu kỳ làm việc để đạt được 12V bất kể hoạt động CCM hay DCM).

Bởi vì bộ chuyển đổi của bạn rất nhiều vào DCM, điện áp nút chuyển đổi giống với điện áp đầu ra. Nếu bạn đến gần hơn với CCM, bạn sẽ thấy một bức tranh rõ ràng hơn.

Đối với mô phỏng này, tụ điện có kích thước sao cho độ võng điện áp đúng thời gian (gây ra bởi tải) không quá mức. Trong cuộc sống thực, có những thông số khác quan trọng (độ ổn định của vòng lặp tổng thể, dòng điện gợn và xếp hạng tuổi thọ) mà bạn phải xem xét, cùng với lựa chọn MOSFET thích hợp, phục hồi ngược và độ mềm của diode tăng ...

Với các giá trị thành phần mà bạn đã chọn, thực sự phù hợp hơn để chạy với tần số 200kHz. Ngay cả ở 200kHz tôi thấy rằng một tụ điện đầu ra phù hợp hơn có thể giống như 33 hoặc 47uF.

Nếu bạn đang sử dụng một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở sê-ri tương đương được chỉ định thì tôi khuyên bạn nên thử một trong các cuộn cảm thực từ thư viện LTSpice như Coiltronics CTX10-3. Cái đó có DCR là 0,028 ohms. Điều đó sẽ giúp giảm sự đột biến ban đầu của dòng khởi động.

Cũng lưu ý rằng một thiết kế thực tế với bộ điều khiển VR chuyển đổi thực tế sẽ có tính năng khởi động mềm, dần dần đưa chu kỳ nhiệm vụ PWM lên đến mức hoạt động mà không có sự đột biến ban đầu lớn. Ngoài ra, một bộ điều khiển sẽ theo dõi điện áp đầu ra thông qua một bộ chia và so sánh nó với một tham chiếu để liên tục điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ của PWM do đó điều chỉnh điện áp đầu ra.

Tôi cũng gặp vấn đề với mạch này trong LTspice. Tôi không nghĩ vấn đề của tôi giống hệt như vấn đề của bạn nhưng đây là kết quả tốt duy nhất khi tìm kiếm "ltspice boost convert" vì vậy tôi sẽ đặt câu trả lời của mình ở đây.

Đây là những điều tôi đã làm sai:

1. Tôi đã sử dụng mô hình "nmos" chung chung. Nó không hoạt động. Tôi không biết tại sao nhưng có vẻ như nó có sức đề kháng rất cao ngay cả ở trạng thái kỳ lạ. Dù sao, cách khắc phục là đặt nmos chung, sau đó nhấp chuột phải vào nó và nhấp vào "Chọn bóng bán dẫn mới", sau đó chọn một từ danh sách, ví dụ IRFP4667.

2. Tụ lọc của tôi là quá lớn. Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra mất theo thứ tự giây để ổn định (tốt trong cuộc sống thực, nhưng gây khó chịu trong một mô phỏng).

Đây là mạch cuối cùng của tôi:

Chi tiết (có thể không quan trọng):

• Tôi đã cho nguồn điện áp 5V một loạt điện trở là 1 ohm.
• Cuộn cảm có điện trở nối tiếp là 6 ohms.
• Thông số tàu xung là Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Nếu ai biết tại sao mô hình nmos tiêu chuẩn không hoạt động, hãy cho tôi biết!