Pourquoi mon simple convertisseur boost me donne-t-il une tension de sortie de crête aussi élevée?

J'essaie de comprendre les principes fondamentaux de l'alimentation à découpage par le biais d'une simulation dans LTSpice.

Je voulais construire un circuit de convertisseur de boost incroyablement simple suivant un modèle d'enseignement souvent donné dans les manuels, mais je ne peux pas faire en sorte que cette chose se comporte du tout comme je m'y attendais, probablement parce que les choses sont très différentes dans la pratique :)

Voici le diagramme schématique exporté depuis LTSpice (notez qu'il utilise des symboles ISO; le composant à droite est une résistance):

La tension d'alimentation est de 5V et je cherche à l'augmenter à 12V avec un courant de charge de 1A, ou une puissance de sortie de 12W. J'ai sélectionné une fréquence de commutation de 20 kHz. D'après mes calculs, j'ai besoin d'un rapport cyclique de 0,583 pour ce faire, donc le temps d'activation devrait être de 29,15 µs. En supposant une efficacité de 0,90, la puissance d'entrée sera de 13,34 W et le courant d'entrée de 2,67 A.

Hypothèses qui peuvent me causer des ennuis:

• Peut-être que l'efficacité est totalement irréaliste pour une conception aussi simple et mon courant d'entrée est beaucoup plus élevé que ce à quoi je m'attendais.
• Au début, je ne me souciais pas beaucoup de l'ondulation, alors j'ai juste choisi l'inductance et le condensateur au hasard.
• Peut-être que la fréquence de commutation était trop petite.

J'ai exécuté la simulation avec un temps de 10 ms (devrait être visible sur le graphique).

Ce que je m'attendais à voir, c'est une tension de 5V, peut-être avec une légère ondulation, au point 2 (entre l'inducteur et le NMOS) et une tension de 12V avec une ondulation au point 3 (entre la diode et le condensateur).

Au lieu de cela, ce qui sort est ce qui ressemble à un chaos total - j'obtiens une tension de crête de 23 V qui oscille autour de 11,5 V au point 2 et une tension de crête légèrement inférieure à un peu plus de 22,5 V qui oscille autour de 17 V au point 3:

Sur le pressentiment que ma fréquence de commutation pourrait être trop basse, j'ai essayé de l'augmenter à 200 kHz (T = 5µs, Ton = 2.915µs) et maintenant j'obtiens quelque chose de plus comme ce que je cherchais, qui est une tension de crête de 12.8V à point 2 (oscillant entre cela et 0V) et un pic de 12V au point 3 (oscillant environ 11.8V):

Il y avait une ondulation importante dans la tension. J'ai essayé d'augmenter la taille de l'inductance à 100µH mais tout ce qui semblait affecter était l'oscillation de démarrage. J'ai donc augmenté la capacité à 10µF, et cela semblait fonctionner, l'oscillation de tension au point 3 est beaucoup plus petite. L'image ci-dessus est le résultat avec un condensateur de 10µF.

Mes questions sont donc les suivantes:

• quel est le problème avec mon modèle d'origine?
• 20 kHz est-il une fréquence de commutation totalement irréaliste (cela semble étrange)?
• si je voulais une fréquence de commutation de 20 kHz, que dois-je changer pour que le circuit fonctionne comme prévu? Un inducteur beaucoup plus gros?
• est-il normal que la tension côté entrée soit similaire à la tension côté sortie lorsque le circuit est en régime permanent?
• quelle équation dois-je utiliser pour dimensionner le condensateur?

Votre boost fonctionne en mode de conduction discontinue ou DCM (le courant d'inductance passe à zéro à chaque cycle de commutation). Le rapport cyclique devient une fonction de la charge ainsi que le rapport cyclique. Si vous augmentez la charge, la valeur de l'inductance ou la fréquence de commutation, vous atteindrez un point où vous verrez votre régulation où vous vous y attendez - c'est ce qu'on appelle CCM, ou mode de conduction continue. Le courant d'inductance ne tombe pas à zéro, mais circule en continu. Votre formule de cycle de service sera valide ici.

20 kHz est très lent pour un convertisseur boost. Le courant d'inductance de pointe 14A est également irréaliste. La plupart des convertisseurs boost PFC fonctionnent de 70 à 100 kHz. Les convertisseurs de fréquence inférieurs nécessitent généralement de plus grandes inductances. Si vous souhaitez atteindre CCM à 20 kHz, vous aurez besoin d'une valeur d'inductance de suralimentation beaucoup plus grande. Essayez 470uH dans votre simulation et vous verrez la tension plus proche de 12V. (Si vous aviez un contrôleur dans votre modèle, il ajusterait automatiquement le rapport cyclique pour atteindre 12V indépendamment du fonctionnement CCM ou DCM).

Parce que votre convertisseur est si fortement dans DCM, la tension du nœud de commutation ressemble à la tension de sortie. Si vous vous rapprochez de CCM, vous verrez une image plus claire.

Pour cette simulation, le condensateur est dimensionné de telle sorte que l'affaissement de la tension d'activation (provoqué par la charge) n'est pas excessif. Dans la vraie vie, il y a d'autres paramètres importants (stabilité globale de la boucle, courant d'ondulation et durée de vie) que vous devez prendre en compte, ainsi que le bon choix de MOSFET, la récupération inverse et la douceur de la diode de suralimentation ...

Avec les valeurs des composants que vous avez sélectionnées, il est en effet plus approprié de fonctionner avec la fréquence de 200 kHz. Même à 200 kHz, je trouve qu'un condensateur de sortie plus approprié peut ressembler davantage à 33 ou 47uF.

Si vous utilisez un inducteur idéal sans résistance série équivalente spécifiée, je vous suggère d'essayer l'un des inducteurs réalistes de la bibliothèque LTSpice tels que le Coiltronics CTX10-3. Celui-ci a un DCR de 0,028 ohms. Cela contribuera à réduire la surtension initiale du courant de démarrage.

Notez également qu'une conception réaliste avec un contrôleur VR à commutation réelle aurait une fonction de démarrage progressif qui amène progressivement le cycle de service PWM à son niveau de fonctionnement sans l'énorme surtension initiale. Un contrôleur surveillerait également la tension de sortie via un diviseur et la comparerait à une référence pour ajuster en permanence le cycle de service PWM, régulant ainsi la tension de sortie.

J'ai également eu des problèmes avec ce circuit dans LTspice. Je ne pense pas que mon problème était exactement le même que le vôtre, mais c'est le seul résultat décent lors de la recherche de "ltspice boost converter", je vais donc mettre ma réponse ici.

Voici les choses que j'ai mal faites:

1. J'ai utilisé le modèle générique "nmos". Ça ne marche pas. Je ne sais pas pourquoi, mais il semble que sa résistance soit très élevée, même à l'état passant, ce qui est bizarre. Quoi qu'il en soit, la façon de le réparer est de placer le nmos générique, puis de faire un clic droit dessus et de cliquer sur "Choisir un nouveau transistor", puis d'en choisir un dans la liste, par exemple IRFP4667.

2. Mon condensateur de filtrage était bien trop grand. Cela signifie que la tension de sortie prend de l'ordre de quelques secondes pour se stabiliser (bien dans la vie réelle, mais ennuyeux dans une simulation).

Voici mon dernier circuit:

Détails (probablement pas critiques):

• J'ai donné à la source de tension 5V une résistance série de 1 ohm.
• L'inductance a une résistance série de 6 ohms.
• Les paramètres du train d'impulsions sont Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Si quelqu'un sait pourquoi le modèle nmos standard ne fonctionne pas, faites le moi savoir!