간단한 부스트 컨버터가 왜 이렇게 높은 피크 출력 전압을 제공합니까?

LTSpice의 시뮬레이션을 통해 스위치 모드 전원 공급 장치 기본 사항을 이해하려고합니다.

나는 종종 교과서에 나오는 교수 모델에 따라 매우 간단한 부스트 컨버터 회로를 만들고 싶었지만 실제로는 실제로 다른 점이 있기 때문에 내가 기대 한대로이 일을 전혀 할 수는 없습니다. :)

다음은 LTSpice에서 내 보낸 회로도입니다 (ISO 기호를 사용하고 오른쪽의 구성 요소는 저항기 임).

공급 전압은 5V이며 1A의 부하 전류 또는 12W의 출력으로 12V로 높이려고합니다. 나는 20kHz의 스위칭 주파수를 선택했다. 수학적으로이 작업을 수행하려면 듀티 사이클 0.583이 필요하므로 온 타임은 29.15µs 여야합니다. 0.90의 효율을 가정하면 입력 전원은 13.34W이고 입력 전류는 2.67A입니다.

나를 곤경에 빠뜨릴 수있는 가정 :

• 아마도이 간단한 디자인의 경우 효율성이 완전히 비현실적이며 입력 전류가 예상보다 훨씬 높습니다.
• 처음에는 리플에 대해별로 신경 쓰지 않았으므로 인덕터와 커패시터를 임의로 선택했습니다.
• 스위칭 주파수가 너무 작을 수 있습니다.

10ms 시간으로 시뮬레이션을 실행했습니다 (그래픽에서 볼 수 있어야 함).

내가 볼 것으로 예상되는 것은 2 지점 (인덕터와 NMOS 사이)에서 5V의 전압, 아마도 약간의 리플이 있고 3 지점에서 리플이있는 12V의 전압 (다이오드와 커패시터 사이)입니다.

대신에 나오는 것은 총 혼돈처럼 보입니다 .2 지점에서 11.5V로 진동하는 23V의 피크 전압과 3 지점에서 17V로 진동하는 22.5V 이상의 약간 더 낮은 피크 전압을 얻습니다.

내 스위칭 주파수가 너무 낮을 수도 있으므로 200kHz (T = 5µs, Ton = 2.915µs)로 늘리려 고했는데 이제는 내가 찾던 것과 더 비슷한 것을 얻습니다. 포인트 2 (0V 사이에서 발진) 및 포인트 3에서 12V의 피크 (약 11.8V 발진) :

전압에 상당한 리플이있었습니다. 인덕터 크기를 100µH로 늘리려 고했지만 영향을받는 것만 스타트 업 오실 레이션이었다. 그래서 커패시턴스를 10µF로 증가 시켰고, 작동하는 것처럼 보였습니다. 지점 3의 전압 진동은 훨씬 작습니다. 위의 이미지는 10µF 커패시터의 결과입니다.

내 질문은 다음과 같습니다.

• 내 원래 모델에 어떤 문제가 있습니까?
• 20kHz가 완전히 비현실적인 스위칭 주파수입니까?
• 만약 20kHz의 스위칭 주파수를 원한다면 회로를 예상대로 작동시키기 위해 무엇을 변경해야합니까? 훨씬 더 큰 인덕터?
• 회로가 정상 상태에 도달했을 때 입력 측의 전압이 출력 측의 전압과 유사한 것이 정상입니까?
• 커패시터의 크기를 정하기 위해 어떤 방정식을 사용해야합니까?

부스트가 불연속 전도 모드 또는 DCM에서 작동 중입니다 (인덕터 전류는 각 스위칭주기마다 0이 됨). 듀티 사이클은 듀티 사이클뿐만 아니라 부하의 기능이됩니다. 부하, 인덕터 값 또는 스위칭 주파수를 증가 시키면 CCM (Continuous Conduction Mode)이라고하는 원하는 레귤레이션을 볼 수있는 지점에 도달하게됩니다. 인덕터 전류는 0으로 떨어지지 않지만 지속적으로 흐릅니다. 듀티 사이클 공식은 여기에서 유효합니다.

부스트 컨버터의 경우 20kHz가 매우 느립니다. 14A 피크 인덕터 전류도 비현실적입니다. 대부분의 PFC 부스트 컨버터는 70 ~ 100 kHz에서 작동합니다. 저주파 변환기에는 일반적으로 더 큰 인덕터가 필요합니다. 20kHz에서 CCM을 달성하려면 훨씬 더 큰 부스트 인덕턴스 값이 필요합니다. 시뮬레이션에서 470uH를 시도하면 12V에 가까운 전압을 볼 수 있습니다. (모델에 컨트롤러가있는 경우 CCM 또는 DCM 작동에 관계없이 듀티 사이클을 자동으로 조정하여 12V를 달성합니다).

변환기가 DCM에 너무 많이 포함되어 있기 때문에 스위칭 노드 전압은 출력 전압과 유사합니다. CCM에 가까워지면 더 선명한 그림이 나타납니다.

이 시뮬레이션에서 커패시터는 스위치 온 타임 전압 강하 (부하로 인한)가 과도하지 않도록 크기가 조정됩니다. 실제로는 적절한 MOSFET 선택, 부스트 다이오드의 역 회복 및 부드러움과 함께 고려해야 할 다른 매개 변수 (전체 루프 안정성, 리플 전류 및 수명 등급)가 있습니다 ...

선택한 구성 요소 값을 사용하면 200kHz 주파수로 실행하는 것이 더 적합합니다. 200kHz에서도 더 적합한 출력 커패시터는 33 또는 47uF와 비슷할 수 있습니다.

동등한 직렬 저항이 지정되지 않은 이상적인 인덕터를 사용하는 경우 Coiltronics CTX10-3과 같은 LTSpice 라이브러리에서 현실적인 인덕터 중 하나를 사용해 보는 것이 좋습니다. 저것의 DCR은 0.028 옴입니다. 시동 전류의 초기 서지를 줄이는 데 도움이됩니다.

또한 실제 스위칭 VR 컨트롤러를 사용하는 현실적인 디자인에는 소프트 스타트 기능이있어 초기 서지가 크지 않으면 서 PWM 듀티 사이클을 점차 작동 레벨까지 점진적으로 높일 수 있습니다. 또한 컨트롤러는 분배기를 통해 출력 전압을 모니터링하고이를 기준과 비교하여 PWM 듀티 사이클을 지속적으로 조정하여 출력 전압을 조절합니다.

나는 또한 LTspice에서이 회로에 문제가 있었다. 내 문제가 당신과 정확히 동일하다고 생각하지 않지만 이것이 "ltspice boost converter"를 검색 할 때 유일하게 괜찮은 결과이므로 여기에 대답을 드리겠습니다.

내가 잘못한 것은 다음과 같습니다.

1. 일반적인 "nmos"모델을 사용했습니다. 작동하지 않습니다. 왜 그런지 모르겠지만 이상한 온 상태에서도 저항이 정말 높은 것 같습니다. 어쨌든, 그것을 고치는 방법은 일반 nmos를 배치하고 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "새 트랜지스터 선택"을 클릭 한 다음 목록에서 하나를 선택하십시오 (예 : IRFP4667).

2. 필터링 커패시터가 너무 큽니다. 이는 출력 전압이 안정화되는 데 몇 초가 걸린다는 것을 의미합니다 (실제에서는 미세하지만 시뮬레이션에서는 성가시다).

마지막 회로는 다음과 같습니다.

세부 사항 (아마도 중요하지 않음) :

• 5V 전압 소스에 1ohm의 직렬 저항을 제공했습니다.
• 인덕터의 직렬 저항은 6 옴입니다.
• 펄스 트레인 매개 변수는 Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz)입니다.

표준 nmos 모델이 작동하지 않는 이유를 아는 사람이 있으면 알려주십시오!