Cálculos del convertidor elevador CC - CC

He estado intentando simular un convertidor DC-DC Boost en 'CircuitLab', en lugar de seguir la ruta de usar un IC, he decidido seguir la 'ruta tradicional' y usar un MOSFET, simplemente porque necesito poder para variar digitalmente el ciclo de trabajo de la frecuencia de conmutación que será impulsada desde un Arduino Uno. He usado las ecuaciones proporcionadas por Texas Instruments . Sin embargo, no estoy seguro de si esto aún funcionaría con mi circuito, ya que estos cálculos finalmente se usan con un IC.

Los requisitos para mi convertidor son los siguientes;

  • Vin = 3v
  • Vsalida = 14v
  • salida = 500mA
  • Frecuencia de conmutación = 100 KHz

Basado en las ecuaciones dadas, he podido formar los siguientes cálculos;

  • Ciclo de trabajo = 0,83
  • Corriente de ondulación del inductor = 0,47 A
  • Inductor = 50uH
  • Corriente máxima del interruptor = 3,17 A
  • Condensador de salida = 41uF

Al seleccionar un MOSFET, la característica principal que busqué fue convertirlo en un MOSFET de 'Nivel lógico', ya que el PWM se controlará desde un Arduino. El MOSFET elegido es el 'STB55NF06L' con un RDS de VGS = 5v, 27,5A.

Para decidir qué diodo usar, verifiqué si la corriente máxima de sobretensión no repetitiva era> que IOut. Además, elegí un diodo con un tiempo de recuperación inversa corto. El diodo seleccionado es el '1N5819'.

Desde que me decidí por estos componentes, he intentado ejecutar una simulación, pero no obtengo los resultados que deseaba. La salida no aumenta en absoluto, Vout está cayendo a 2.5v. ¿Alguna idea sobre cómo puedo solucionar esto?

Aquí está mi diagrama de circuito;

Diagrama de circuito

Actualizar;

He construido el convertidor de refuerzo utilizando la información que he recopilado de las respuestas dadas y me he encontrado con un pequeño problema. He usado un inductor de 22uH y un inductor de 33uH que tenía disponibles de inmediato (FT00765 y FT00766). Como estos inductores tienen una clasificación de corriente bastante baja, no pudieron tomar la corriente de mi circuito y, como resultado, se calentaron increíblemente. Entiendo que necesito comprar un inductor del mismo valor pero con una clasificación de corriente más alta. Sin embargo, lo que no entiendo es la diferencia entre la clasificación actual y la clasificación de saturación actual. Según mi simulación, la corriente máxima a través del inductor es de alrededor de 16 A en el impulso inicial y luego se nivela entre 2 A y 4 A en CCM. Por lo tanto, he estado buscando inductores como; 2300HT-220V-RCcon una clasificación actual de 19A, ¿sería este un inductor adecuado o necesito buscar una alternativa? También miré AIRD-02-220K , que también parece un inductor factible.

¿Tiene el ciclo de trabajo al revés? ¿Encendido el 83% del tiempo?
Apenas puedo usar ese websim para calcular algunos voltajes en una red resistiva [y no pude averiguar cómo obtener corrientes de ella]. Use algo más serio para esto, LTspice, etc.

Respuestas (2)

TLRD: tus cálculos están bien. Me confundí al compararlos con una calculadora diferente que apuntaba a DCM, no a CCM. No voy a cambiar las cosas a continuación porque el Arsenal respondió, y también podría ser útil para ti comparar los dos modos.

Su inductor parece un orden de magnitud demasiado grande en comparación con lo que obtengo en https://learn.adafruit.com/diy-boost-calc/the-calculator

ingrese la descripción de la imagen aquí

Y parece que su inductor es demasiado grande:

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

@Arsenal NB: descubrí la diferencia entre estas dos calculadoras. El adafruit le brinda una solución DCM (modo actual descontado), mientras que TI le brinda una solución CCM.

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuál es preferible depende de varios factores . Básicamente, a altas corrientes de salida, desea que CCM reduzca las pérdidas y las tensiones en los componentes, pero DCM tiene una mejor respuesta transitoria. Se puede leer mucho más sobre eso aquí , incluido un ejemplo de cálculo de eficiencia energética en paralelo.

¿Ha echado un vistazo a la corriente de ondulación del inductor con ese inductor de 5 µH? Debería ser del orden de 4A a 5A, que es demasiado alto (debería ser del orden del 30% de la corriente de entrada máxima, si no me equivoco). Un valor de 29 µH sería más apropiado.
@Arsenal: fue DCM vs CCM.
Ah, sí, hay un símbolo ">" en esa tabla, por lo que es la solución del límite inferior... Sin embargo, buena actualización.
Gracias por la respuesta, ¿podría decirme el beneficio de usar DCM o CCM para una aplicación de conversión de impulso? Además, me di cuenta de que usaste un mosfet 'IRF7811' sobre el que he mostrado en mi circuito. ¿Hubo alguna razón en particular detrás de esto?
@Thaitan: Creo que lo mencioné brevemente (CCM vs DCM) en mi último párrafo (debajo de la última imagen) y hay mucho más en los artículos vinculados allí. En cuanto al MOSFET: no hace mucha diferencia en este caso y LTspice no viene con el modelo para STP55 y me dio pereza seguir los pasos para importarlo (está disponible en el sitio web de ST).
@Thaitan: con los modelos integrados, LTspice es 100 veces más rápido que con los basados ​​en subcircuitos como los ST. Reduje el tiempo de simulación a 5 ms con el modelo ST porque era muy lento. Sin embargo, obtienes un poco menos de exceso con el modelo de ST, especialmente en DCM. imgur.com/a/eqVmP También debe agregar (como hice yo) un valor de ESR para el límite de salida, de lo contrario, la ondulación será demasiado baja; Usé 0.05ohms en todas las simulaciones.
Gracias por esto, ¡lo tendré en cuenta! Me di cuenta de que has usado un inductor de 33uH. Como tendré que documentar mis cálculos, ¿podría decirme cómo llegó a ese valor?
Arsenal lo sugirió (bueno, sugirió 29, pero ese es un valor menos estándar); para CCM, un buen rango de valores de inductor funciona para el mismo voltaje, pero la corriente de ondulación cambia.
@Thaitan Actualicé mi respuesta para incluir mis cálculos para el valor del inductor.
Estoy en el proceso de construir el convertidor elevador con la elección de un inductor de 33uH. Ya tenía disponible el inductor 'FT00765', así que lo probé. El circuito pareció impulsarse temporalmente, pero el inductor se calentó increíblemente. ¿Quizás el inductor elegido no puede soportar la corriente? ¿Me puede recomendar un inductor?

Cuando abro su esquema , puedo ver que solo está simulando ciclos de 100 µs o 10 PWM. Su voltaje no llegará allí en esa cantidad de tiempo.

Entonces, en su lugar, intente simular 15 ms (depende del diseño):

Resultados de la simulación durante 15 ms

Probemos un cálculo aproximado de lo que sucede (esto es realmente un cálculo del tipo de la parte posterior del sobre):

Tiene una corriente máxima de 3,17 A, que irá al capacitor de salida para el 17% de los 100 kHz (por supuesto que caerá, pero lo olvidaré ahora).

Entonces habrá una carga de 17%/100 kHz*3.17 A = 5.4 µC transferida a la salida. Si asumimos una carga de corriente constante de 500 mA (que no son 28 ohmios), durante un ciclo tomará 500 mA/100 kHz = 5 µC de la salida. Entonces obtenemos un total de 0.4 µC por ciclo cargado. El voltaje aumenta en 0,4 µC/47 µF = 8,5 mV por ciclo.

Para pasar del punto inicial de 2,5 V a 13 V, necesitaría al menos 1250 ciclos o 12,5 ms.

Bueno, resultó más rápido, pero eso es un bosquejo aproximado de lo que puede esperar.

Una cosa que parece un poco extraña es el valor del inductor de 50 µH; parece que la nota de aplicación de TI usa un enfoque de cálculo ligeramente diferente al que obtuve de LT, gracias a RespawnedFluff por verificar los valores. A continuación se muestra mi cálculo, que en cierto modo es obsoleto en ese caso.

Normalmente se opta por una corriente de ondulación del 20 % al 40 % de la corriente máxima del inductor. (ese valor es un compromiso como se explica aquí )

Así que vamos desde aquí:

I PAG mi a k = I a v gramo + Δ I L 2
y
Δ I L = 30 % I PAG mi a k

lo que nos lleva a:

Δ I L = 0.3 I a v gramo 0.85

Y con:

I a v gramo = V o η V i I o tu t

llegamos a:

Δ I L = 0.3 V o I o tu t 0.85 η V i

Para el caso ideal ( η = 1 ) obtenemos un resultado de 0,824 A como corriente de ondulación. Aproximadamente el doble de lo que calculaste.

Con eso y la ecuación dada en la nota de aplicación de TI:

L = V i ( V o − V i ) Δ I L F s V o

Obtengo un valor de 28,6 µH. (que no es un valor común, el siguiente valor sería 33 µH o 27 µH)

calculó Δ I yo correctamente según el documento TI que utilizó (ec. 6), pero optó por el valor más bajo. 0.2 I o tu t V o tu t V i norte = 0.2 × 0.5 × 14 3 = 0.4666 A . TI también dice que el primer factor 0.2 puede estar en el rango de 0.2 a 0.4.
@RespawnedFluff eso es cierto, no he comprobado los números... Mis cálculos se basan en un seminario LT que tuve la semana pasada sobre convertidores DCDC. Parece que ese enfoque conduce a diferentes valores (cuando uso 20% termino con 0.55 A y 42 µH).
Con las fórmulas de TI, obtengo 50.5uH. Pero después de conectarlo al simulador, la ondulación real fue de aproximadamente 0.5A. Con el valor LT de 42 µH obtengo alrededor de 0.56A en simulación. Entonces, las fórmulas de LT son más precisas.
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