¿Por qué mi simple convertidor de refuerzo me da un voltaje de salida pico tan alto?

Estoy tratando de comprender los fundamentos de la fuente de alimentación del modo de conmutación a través de una simulación en LTSpice.

Quería construir un circuito convertidor de impulso insoportablemente simple siguiendo un modelo de enseñanza que a menudo se da en los libros de texto, pero no puedo hacer que esto se comporte como esperaba, probablemente porque las cosas son muy diferentes en la práctica :)

Aquí está el diagrama esquemático exportado de LTSpice (tenga en cuenta que usa símbolos ISO; el componente de la derecha es una resistencia):

El voltaje de suministro es de 5V y estoy tratando de aumentarlo a 12V con una corriente de carga de 1A o una potencia de salida de 12W. Seleccioné una frecuencia de conmutación de 20kHz. Según mis cálculos, necesito un ciclo de trabajo de 0.583 para hacer esto, por lo que el tiempo de entrega debe ser de 29.15 µs. Suponiendo una eficiencia de 0.90, la potencia de entrada será 13.34W y la corriente de entrada 2.67A.

Suposiciones que pueden estar metiéndome en problemas:

• Quizás la eficiencia es totalmente poco realista para un diseño tan simple y mi corriente de entrada es mucho mayor de lo que esperaba.
• Inicialmente no me importaba mucho la ondulación, así que elegí el inductor y el condensador al azar.
• Tal vez la frecuencia de cambio era demasiado pequeña.

Ejecuté la simulación con un tiempo de 10 ms (debería estar visible en el gráfico).

Lo que esperaba ver es un voltaje de 5V, quizás con una ligera ondulación, en el punto 2 (entre el inductor y el NMOS) y un voltaje de 12V con una ondulación en el punto 3 (entre el diodo y el condensador).

En cambio, lo que sale es lo que parece un caos total: obtengo un voltaje pico de 23V que oscila alrededor de 11.5V en el punto 2 y un voltaje pico ligeramente más bajo de poco más de 22.5V que oscila alrededor de 17V en el punto 3:

Con el presentimiento de que mi frecuencia de conmutación podría ser demasiado baja, intenté aumentarla a 200kHz (T = 5µs, Ton = 2.915µs) y ahora obtengo algo más parecido a lo que estaba buscando, que es un voltaje máximo de 12.8V a punto 2 (oscilando entre eso y 0V) y un pico de 12V en el punto 3 (oscilando alrededor de 11.8V):

Hubo una ondulación significativa en el voltaje. Intenté aumentar el tamaño del inductor a 100 µH pero todo lo que pareció afectar fue la oscilación de inicio. Así que aumenté la capacitancia a 10 µF, y eso pareció funcionar, la oscilación del voltaje en el punto 3 es mucho menor. La imagen de arriba es el resultado con un condensador de 10 µF.

Mis preguntas, entonces, son:

• ¿Qué tiene de malo mi modelo original?
• ¿Es 20kHz una frecuencia de conmutación completamente poco realista (parece extraño que lo sea)?
• si quisiera una frecuencia de conmutación de 20 kHz, ¿qué debo cambiar para que el circuito funcione como se espera? ¿Un inductor mucho más grande?
• ¿Es normal que el voltaje en el lado de entrada sea similar al voltaje en el lado de salida cuando el circuito ha alcanzado el estado estable?
• ¿Qué ecuación debo usar para dimensionar el condensador?

Su impulso está funcionando en modo de conducción discontinua o DCM (la corriente del inductor va a cero en cada ciclo de conmutación). El ciclo de trabajo se convierte en una función de la carga, así como el ciclo de trabajo. Si aumenta la carga, el valor del inductor o la frecuencia de conmutación, llegará a un punto donde verá su regulación donde la espera, esto se llama CCM, o modo de conducción continua. La corriente del inductor no cae a cero, sino que fluye continuamente. Su fórmula del ciclo de trabajo será válida aquí.

20 kHz es muy lento para un convertidor boost. La corriente inductora máxima de 14 A tampoco es realista. La mayoría de los convertidores de impulso PFC funcionan de 70 a 100 kHz. Los convertidores de frecuencia más baja generalmente necesitan inductores más grandes. Si desea lograr CCM a 20kHz, necesitará un valor de inductancia de impulso mucho mayor. Pruebe 470uH en su simulación y verá el voltaje más cerca de 12V. (Si tuviera un controlador en su modelo, ajustaría automáticamente el ciclo de trabajo para alcanzar 12V independientemente de la operación de CCM o DCM).

Debido a que su convertidor está tan fuertemente en DCM, el voltaje del nodo de conmutación se parece al voltaje de salida. Si te acercas a CCM, verás una imagen más clara.

Para esta simulación, el capacitor está dimensionado de manera tal que la caída del voltaje de encendido (causada por la carga) no sea excesiva. En la vida real, hay otros parámetros que importan (estabilidad general del bucle, corriente de ondulación y clasificación de vida útil) que debe considerar, junto con la opción MOSFET adecuada, la recuperación inversa y la suavidad del diodo de refuerzo ...

Con los valores de los componentes que ha seleccionado, de hecho, es más adecuado para ejecutar con la frecuencia de 200 kHz. Incluso a 200 kHz, encuentro que un condensador de salida más adecuado puede ser más como 33 o 47uF.

Si está utilizando un inductor ideal sin una resistencia en serie equivalente especificada, le sugiero que pruebe uno de los inductores realistas de la biblioteca LTSpice, como el Coiltronics CTX10-3. Ese tiene un DCR de 0.028 ohmios. Eso ayudará a reducir el aumento inicial de la corriente de arranque.

También tenga en cuenta que un diseño realista con un controlador VR de conmutación real tendría una función de arranque suave que gradualmente eleva el ciclo de trabajo PWM a su nivel operativo sin la gran sobretensión inicial. Además, un controlador monitorearía el voltaje de salida a través de un divisor y lo compararía con una referencia para ajustar continuamente el ciclo de trabajo PWM y así regular el voltaje de salida.

También he tenido problemas con este circuito en LTspice. No creo que mi problema sea exactamente el mismo que el tuyo, pero este es el único resultado decente cuando busco el "convertidor de refuerzo de ltspice", así que pondré mi respuesta aquí.

Aquí están las cosas que hice mal:

1. Usé el modelo genérico "nmos". No funciona No sé por qué, pero parece que tiene una resistencia realmente alta incluso en el estado activado, lo cual es extraño. De todos modos, la forma de solucionarlo es colocar el nmos genérico, luego hacer clic derecho y hacer clic en "Seleccionar nuevo transistor", luego elegir uno de la lista, por ejemplo, IRFP4667.

2. Mi condensador de filtrado era demasiado grande. Esto significa que el voltaje de salida toma el orden de segundos para establecerse (bien en la vida real, pero molesto en una simulación).

Aquí está mi circuito final:

Detalles (probablemente no críticos):

• Le di a la fuente de voltaje de 5V una resistencia en serie de 1 ohm.
• El inductor tiene una resistencia en serie de 6 ohmios.
• Los parámetros del tren de pulsos son Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Si alguien sabe por qué el modelo estándar nmos no funciona, ¡hágamelo saber!