Simulación de un oscilador de potencia de clase E usando LTspice

Mi objetivo es comprender y diseñar un oscilador de potencia de clase E. Con este fin, intento simular el siguiente esquema usando LTSpice. La topología del circuito y los valores de diseño se extraen del documento " de aquí " -

las especificaciones de diseño utilizadas en el documento son; Pout = 1 W, suministro = 4,5 V, frecuencia 800 kHz, RL = 50 ohmios, QL = 13, eficiencia = 90 % El objetivo de esta pregunta no es entender el documento, sino entender por qué mis simulaciones repetidas no funcionan; por supuesto, yo Creo que el circuito debería funcionar bien con sus valores. Pero para aclarar la pregunta, en este documento, el circuito se modela usando sus secciones de impedancia equivalentes (asumiendo solo el armónico fundamental) y los valores de los componentes se calculan usando ecuaciones de diseño de clase E para 0.5 de servicio. Algunas cosas para tener en cuenta: en su análisis, la impedancia de puerta a fuente del MOSFET, Zgs se midió a 800 kHz y se usó para las ecuaciones analíticas, y el divisor de voltaje se ajustó experimentalmente para obtener un trabajo de 0.5.

(las diferencias con el documento original son 1. Hacer R2 170k -> 150k porque no estaba produciendo la oscilación cuando R2 = 170k, 2. El modelo de diodo zener no se proporcionó en el documento)

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, las formas de onda de oscilación son las siguientes. Que incluyen voltaje de drenaje - V (D); Voltaje de puerta - V(G), Voltaje a través de RL - V(RL+) y corriente de suministro - I(V1)ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Cuál podría ser la razón por la que este oscilador no funciona como se esperaba? (Se espera que entregue aproximadamente 1 W de potencia a RL, pero aquí son solo unos pocos milivatios)

Alternativamente, ¿alguien puede sugerir alguna otra referencia (preferiblemente de acceso abierto) para diseñar un oscilador de potencia de clase E cercano a las mismas especificaciones de diseño?

Solo puede ver el original si es miembro de IEEE. ¿Desea que las respuestas se limiten a esas personas? Marque los nodos que midió en su esquema también.
Parece que el primer trabajo es encontrar la resonancia LF y acabar con ella. ¿Qué dice el artículo sobre L3 y Cgs/Cgd?
Andy, si copia el título IEEE, puede ubicarlo en otro lugar (a veces)
Pojj, ¿qué entiende sobre la selección del componente Q y el ángulo de conducción en la clase E?
C3 y Cbp son inútiles. Si desea que estén activos, imponga 4.5 Rser=10m(por ejemplo) en V1. Mejor aún, hazlo 4.5 Rser=10m Cpar=1u.
Cada vez que veo papel con partes reactivas que usan valores de 4 dígitos, espero que el diseño pase por alto muchas fuentes de error. Este osc debe tener suficiente gm o ganancia para superar el atenuador de relación C. Tienes un oscilador de 71kHz. Me pregunto cómo se ve tu diseño.
@ Brian Drummond, intenté aumentar Lc1, pero no sirvió de nada, cuando Lc1 es 10 mH, la ondulación de la corriente de suministro se reduce a ~ 1 mA, pero la resonancia baja todavía está ahí. ¿Qué puedo hacer para deshacerme de este LF?
@TonyStewartolderthandirt, según tengo entendido, la selección de Q debe considerar el rechazo armónico y las pérdidas de resonancia, y el ángulo de conducción de la clase E debe ser cero (el MOSFET actúa como un interruptor en las regiones ZVS y ZdVS). Se supone que la frecuencia de oscilación es de 800 kHz y la oscilación de 71 kHz parece provenir de una resonancia LF que no pude identificar. Todavía no tengo un diseño experimental, solo estoy probando simulaciones iniciales
¿Entiendes por qué no funciona bien de mi comentario anterior? Si no lee hasta que lo haga
@TonyStewartolderthandirt, es difícil digerir tu punto, puede deberse a que mi experiencia no es tan sólida. Pero noté que cuando aumenté la relación de retroalimentación (al disminuir C32 a 20n), el circuito oscilaba, por lo que la ganancia de la etapa del amplificador no era lo suficientemente alta como para satisfacer la condición de Barkhausen. Pero no pude obtener su comentario sobre 71kHz y el armónico 11. ¿Qué combinaciones de LC crean resonancia secundaria?
El interruptor conduce a C1 con una fuerte caída del voltaje y derivando la corriente L1 y luego se relaja mientras L1 continúa suministrando corriente desde el voltaje caído. Así, el lazo inyecta inductancia y desvía la capacitancia C1 alterando la frecuencia de resonancia del lazo cuando conduce. Al soltar el interruptor, la corriente fluye a través de C1 en la dirección opuesta a medida que Vds aumenta, siendo L1 una fuente de corriente y el bucle ahora tiene una resonancia BPF de bucle más alta o una ganancia máxima de 800 kHz más o menos. Esta es la acción de un circuito cerrado de inyección CLASE E. Supervise los identificadores con una sonda actual en sim y modifique beta o RdsOn y R
La corriente L1 I (V1) en realidad está resonando, pero la impedancia del interruptor FET y su espectro actual es bastante diferente.

Respuestas (1)

Veo que los inductores muestran el punto, eso suele ser si hay algún acoplamiento (a menos que se muestre manualmente). Aquí está mi intento, sin acoplamiento:

oscilador

y algunos detalles para las formas de onda como en su ejemplo. Tenga en cuenta que V(x)es V(RL+), y usé parásitos para el suministro, lo que significa que la corriente a través de él incorpora lo que habrían sido sus condensadores (si tuviera alguna resistencia entre el suministro y las tapas, según el comentario ) :

detalles

Gracias, ahora tengo un circuito de trabajo para seguir estudiando. Pero cuando usé el modelo MTP3055 de mosfet (descargado del enlace ), todavía no oscilaba. no estoy seguro de si se debe al parásito o al problema con el modelo; de todos modos, no importa mucho ahora. Roger tu comentario. ¡Lo siguiente es ir un paso más allá en el análisis de eficiencia!
Hay una topología mucho mejor y ¿tiene algún objetivo de eficiencia?
@Pojj Esos son subcircuitos (es decir, modelos más involucrados), por lo que no puedo decirle qué está mal o no, simplemente usé uno .modelde la base de datos de LTspice. Pero recomendaría usar diferentes MOSFET, incluso IRF ha creado otros más nuevos y mejores que esos, son bastante antiguos.
@TonyStewartolderthandirt, sí, mi objetivo es lograr una eficiencia superior al 90 % con un índice de retroalimentación bajo y C32 es un límite variable. ¿Sugeriría la mejor topología, por favor?
@aconcernedcitizen, ¿crees que IPN50R650CE es una buena opción? Estoy buscando un MOSFET de mayor potencia porque quiero aumentar el nivel de potencia a 5W - 10W. ¿Tienes alguna recomendacion? -Todavía estoy entendiendo la operación de topología- así que, primero, busco un MOSFET adecuado con un modelo de simulación que funcione.
@Pojj Para esta configuración, parece que un Rdson de 100 ~ 300 mOhm sería la opción, la carga de la puerta no es una gran preocupación. Si desea una mayor potencia, aumentar Rdson no es una opción sensata. Además, el Vds parece demasiado alto, ya que el voltaje de drenaje es ~ 3 veces el suministro (tal vez más alto con diferentes topologías), pero lo que busca es la corriente, para la energía. Fácilmente podría hacer un oscilador con kV en el drenaje, pero casi sin corriente. La energía necesita corriente, por lo tanto, reduzca el Rdson, pero no demasiado bajo o puede amortiguar las oscilaciones.
@aconcernedcitizen, Este es un consejo de obra maestra que estaba buscando. Lo tendré en cuenta. ¿Qué hay de las capacitancias de entrada y salida? ¿Debo buscar valores bajos?
Mire la relación armónica de resonancia secundaria/primaria y la impedancia si RdsOn* ciclo de trabajo <50 ohmios. Tiene un bucle bloqueado de inyección armónica de pulso con retroalimentación LC innecesaria. Estabas obteniendo 71 KHz fundamental en lugar del armónico 11, lo que hacía que la afinación primaria fuera demasiado crítica. Usaría un FET en serie en lugar de un FET en derivación
@Pojj Las capacitancias MOSFET entran en juego al elegir los valores de las inductancias y capacitancias. Pequeños o grandes, influirán principalmente numéricamente, ya que aquí no es difícil cambiar para tener en cuenta las pérdidas de transición. Aún así, no los quiere demasiado altos (por ejemplo, demasiados nF, o incluso decenas de nF), ya que estos tendrán en cuenta la disipación. Y demasiado bajo (cientos o decenas de pF) causará menos pérdidas, pero probablemente generará valores más altos para Ls y más pequeños para Cs, por lo tanto, mayor Q, por lo tanto, mayor inestabilidad (los elementos analógicos la sufren). En resumen, difícil de decir.
Incluso entra en juego el DCR de la bobina L1.
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