Por que meu simples conversor de impulso está me dando uma tensão de saída de pico tão alta?

Estou tentando entender os fundamentos da fonte de alimentação em modo de comutador por meio de uma simulação no LTSpice.

Eu queria construir um circuito conversor de impulso incrivelmente simples, seguindo um modelo de ensino frequentemente fornecido em livros didáticos, mas não consigo fazer com que tudo se comporte da maneira que eu esperava, provavelmente porque na prática as coisas são muito diferentes :)

Aqui está o diagrama esquemático exportado do LTSpice (observe que ele usa símbolos ISO; o componente à direita é um resistor):

A tensão de alimentação é de 5V e pretendo aumentá-la para 12V com uma corrente de carga de 1A ou uma potência de saída de 12W. Selecionei uma frequência de comutação de 20kHz. Pelos meus cálculos, preciso de um ciclo de trabalho de 0,583 para fazer isso, portanto o tempo de entrega deve ser de 29,15 µs. Assumindo uma eficiência de 0,90, a potência de entrada será 13,34W e a corrente de entrada 2,67A.

Suposições que podem estar me causando problemas:

• Talvez a eficiência seja totalmente irreal para um design tão simples e minha corrente de entrada seja muito maior do que eu esperava.
• Inicialmente, não me importava muito com ondulações, então escolhi o indutor e o capacitor aleatoriamente.
• Talvez a frequência de comutação fosse muito pequena.

Executei a simulação com um tempo de 10ms (deve estar visível no gráfico).

O que eu esperava ver é uma tensão de 5V, talvez com uma pequena ondulação, no ponto 2 (entre o indutor e o NMOS) e uma tensão de 12V com uma ondulação no ponto 3 (entre o diodo e o capacitor).

Em vez disso, o que sai é o que parece um caos total - recebo uma voltagem de pico de 23V que oscila em torno de 11,5V no ponto 2 e uma voltagem de pico ligeiramente mais baixa de pouco mais de 22,5V que oscila em torno de 17V no ponto 3:

No pressuposto de que minha frequência de comutação pode estar muito baixa, tentei aumentá-la para 200kHz (T = 5µs, Ton = 2,915µs) e agora recebo algo mais parecido com o que eu estava procurando, que é um pico de tensão de 12,8V a ponto 2 (oscilando entre isso e 0V) e um pico de 12V no ponto 3 (oscilando cerca de 11,8V):

Houve uma ondulação significativa na tensão. Tentei aumentar o tamanho do indutor para 100 µH, mas tudo o que parecia afetar foi a oscilação de inicialização. Então eu aumentei a capacitância para 10µF, e isso pareceu funcionar, a oscilação de tensão no ponto 3 é muito menor. A imagem acima é o resultado com um capacitor de 10µF.

Minhas perguntas, então, são:

• o que há de errado com o meu modelo original?
• 20kHz é uma frequência de comutação completamente irrealista (parece estranho que seria)?
• se eu queria uma frequência de comutação de 20kHz, o que preciso alterar para que o circuito funcione conforme o esperado? Um indutor muito maior?
• é normal que a tensão no lado de entrada seja semelhante à tensão no lado de saída quando o circuito atingiu o estado estacionário?
• que equação devo usar para dimensionar o capacitor?

Seu reforço está operando no modo de condução descontínua ou DCM (a corrente do indutor vai a zero a cada ciclo de comutação). O ciclo de serviço se torna uma função da carga e também do ciclo de trabalho. Se você aumentar a carga, o valor do indutor ou a frequência de comutação, chegará a um ponto em que verá sua regulação onde espera - isso é chamado de CCM, ou modo de condução contínua. A corrente do indutor não cai para zero, mas flui continuamente. Sua fórmula do ciclo de serviço será válida aqui.

20 kHz é muito lento para um conversor de impulso. 14A corrente de pico do indutor também é irrealista. A maioria dos conversores de impulso do PFC opera de 70 a 100 kHz. Conversores de frequência mais baixa geralmente precisam de indutores maiores. Se você deseja atingir o CCM a 20kHz, precisará de um valor de indutância de impulso muito maior. Experimente 470uH em sua simulação e você verá a tensão mais próxima de 12V. (Se você tivesse um controlador em seu modelo, ele ajustaria automaticamente o ciclo de trabalho para atingir 12V, independentemente da operação do CCM ou DCM).

Como o seu conversor está muito ligado ao DCM, a tensão do nó de comutação se assemelha à tensão de saída. Se você se aproximar do CCM, verá uma imagem mais clara.

Para esta simulação, o capacitor é dimensionado de forma que a queda de tensão no horário de funcionamento (causada pela carga) não seja excessiva. Na vida real, existem outros parâmetros importantes (estabilidade geral do loop, corrente de ondulação e classificação de vida útil) que você deve considerar, juntamente com a escolha adequada do MOSFET, recuperação reversa e suavidade do diodo de impulso ...

Com os valores dos componentes que você selecionou, é realmente mais adequado funcionar com a frequência de 200kHz. Mesmo a 200kHz, acho que um capacitor de saída mais adequado pode ser mais parecido com 33 ou 47uF.

Se você estiver usando um indutor ideal sem resistência equivalente em série especificada, sugiro que tente um dos indutores realistas da biblioteca LTSpice, como o Coiltronics CTX10-3. Aquele tem um DCR de 0,028 ohms. Isso ajudará a reduzir o aumento inicial da corrente de inicialização.

Observe também que um projeto realista com um controlador VR de comutação real teria um recurso de partida suave que gradualmente eleva o ciclo de trabalho do PWM ao seu nível operacional sem o grande aumento inicial. Além disso, um controlador monitoraria a tensão de saída por meio de um divisor e a compararia com uma referência para ajustar continuamente o ciclo de trabalho PWM, regulando a tensão de saída.

Eu também tive problemas com este circuito no LTspice. Eu não acho que meu problema era exatamente o mesmo que o seu, mas esse é o único resultado decente ao procurar pelo "ltspice boost converter", então colocarei minha resposta aqui.

Aqui estão as coisas que fiz de errado:

1. Eu usei o modelo "nmos" genérico. Isso não funciona. Eu não sei por que, mas parece que ele tem uma resistência muito alta, mesmo no estado on, o que é estranho. De qualquer forma, a maneira de corrigi-lo é colocar os nmos genéricos, clicar com o botão direito do mouse e clicar em "Selecionar novo transistor", depois escolher um da lista, por exemplo, IRFP4667.

2. Meu capacitor de filtragem era muito grande. Isso significa que a tensão de saída demora cerca de segundos para se estabilizar (ótima na vida real, mas irritante em uma simulação).

Aqui está o meu circuito final:

Detalhes (provavelmente não críticos):

• Dei à fonte de tensão de 5V uma resistência em série de 1 ohm.
• O indutor possui uma resistência em série de 6 ohms.
• Os parâmetros do trem de pulso são Ton = 8us, Toff = 2us (T = 10us; 100 kHz).

Se alguém souber por que o modelo nmos padrão não funciona, avise-me!