Frecuencias de conmutación mínimas en convertidores Boost

  

¿Por qué están cambiando las frecuencias para convertidores de impulso por encima de los 100 kHz?   rango?

Un potente convertidor de refuerzo podría funcionar en el rango bajo / medio de kHz y podría hacerlo porque los transistores de potencia utilizados son dispositivos intrínsecamente lentos. El truco es operar a una frecuencia en la que las pérdidas estáticas equivalen aproximadamente a pérdidas dinámicas.

  

Si entiendo correctamente, a medida que la frecuencia aumenta de 100 kHz   Hacia arriba, la corriente de rizado que se crea a partir del inductor.   disminuye, el cambio actual a lo largo del tiempo disminuye en el inductor, y   Los componentes pueden ser más pequeños porque no tienen que lidiar con los más grandes.   Corrientes (relativas).

La corriente de ondulación establece la escena de cuánta energía es almacenada por el inductor y entregada al condensador cíclicamente. A frecuencias más altas, esta transferencia se realiza más veces por segundo, por lo tanto, para la misma potencia entregada a una carga, la corriente de rizado podría ser menor, pero esto no entrega la misma potencia (energía proporcional a la corriente al cuadrado) y, por lo tanto, la inductancia tiene Se reduce y esto aumenta la corriente de rizado. Si intenta y considera la posibilidad de ejecutar el modo de conducción discontinua o continua, entonces no es tan claro como podría pensar.

Los componentes pueden ser más pequeños, sí.

  

Sin embargo, son contrarrestados por la disminución de la eficiencia del cambio   pérdidas en el MOSFET, así como pérdidas desde el núcleo del inductor.

Sí y no. Las pérdidas por conmutación aumentan pero algunas pérdidas en el núcleo se reducen, como la saturación. Sin embargo, las pérdidas por corrientes de Foucault (generalmente más pequeñas que la saturación del núcleo) tenderán a aumentar y es por eso que se ve un desarrollo significativo en la fabricación de núcleos adecuados para el cambio por encima de 1 MHz.

  

Entonces, dado que puedes aumentar la eficiencia al disminuir la frecuencia,   ¿Por qué no cambian las frecuencias en rangos más bajos? los 100Hz-10kHz   rango, por ejemplo?

En las frecuencias bajas, la saturación del inductor es un factor importante: una menor frecuencia y las pérdidas de saturación pueden repentinamente dispararse. Si mantiene el equilibrio entre pérdidas dinámicas y estáticas en sus MOSFET, esa es la mejor frecuencia a la que apuntar (como se mencionó anteriormente).

  

¿Es que los cambios actuales con los que tiene que lidiar el inductor son   demasiado alto y las pérdidas de resistencia del cableado del inductor comienzan a dominar   ¿Como la principal fuente de pérdida de potencia?

Frecuencia más baja significa menos energía transferida por segundo y esto significa que tienes que correr a corrientes más altas (para la misma potencia) pero no te obsesiones con esto. El funcionamiento de CCM (modo de conducción continua) significa que la corriente de rizado puede ser muy pequeña para transferir la misma energía.

Dos razones ...

1. Frecuencias más altas significa que puede usar componentes más pequeños, más baratos y más livianos.

2. Bajo una cierta frecuencia (alrededor de 50 KHz) se genera un ruido audible. En el extremo superior, volverá loco a sus mascotas, y más bajo lo hará a usted y a sus usuarios.

El truco es llegar a un equilibrio. Haga que la frecuencia sea lo suficientemente alta para limitar los costos, mientras que lo suficientemente baja como para poder encontrar los interruptores adecuados que no sean demasiado con pérdidas.

También hay otra compensación. Las frecuencias más bajas significan más ondulaciones con las que debe lidiar, pero nuevamente, las frecuencias altas significan más ruido EMI.

Obtener el equilibrio correcto es un poco un arte.

Hay muchos factores diferentes que determinan la elección de la frecuencia de conmutación para cualquier convertidor. Uno de ellos es el magnetismo y el tamaño del capacitor, que tienden a reducirse a medida que aumenta la frecuencia. Si disminuye la frecuencia, no solo estos componentes aumentan de tamaño, sino que también sufrirá de ruido acústico cuando ingresa al rango de audio. El segundo factor importante es la eficiencia. Si cambia permanentemente a 100 kHz en condiciones de carga liviana, las pérdidas de conmutación afectarán la eficiencia en gran medida. Como resultado, muchos de los convertidores dc-dc actuales implementan el llamado modo de repliegue de frecuencia que reduce la frecuencia de conmutación a medida que la corriente de carga se vuelve más liviana. Mejora mucho la eficiencia. Los controladores generalmente dejan de plegarse por encima de 20 kHz por razones de ruido acústico y entran en el ciclo de omisión si la corriente de carga desciende más. Si esta secuencia de omisión se produce con una corriente pico alta, no escuchará nada.

Un factor importante es la frecuencia de cruce \ $ f_c \ $ que normalmente se selecciona muy por debajo de la mitad de la frecuencia de conmutación. Por ejemplo, si desea un crossover agresivo de 50 kHz, puede ver que con un 100 kHz \ $ F_ {sw} \ $ no respetará el criterio de Nyquist. Necesitaría empujar \ $ F_ {sw} \ $ a 250 kHz por ejemplo. Sin embargo, debe tener en cuenta el desagradable semiplano derecho (RHPZ) que afecta a todos los convertidores de transferencia de energía indirecta, como las estructuras boost o buck-boost. Un RHPZ es la representación matemática del retardo inherente a la operación de impulso: primero almacene la energía en la inductancia \ $ L \ $ y luego suéltela a la carga. Si la demanda actual crece, no puede responder instantáneamente como con un convertidor de dinero, ya que primero necesita almacenar más energía en el inductor. Si falla al hacer esto porque no hay suficiente voltio-segundo o el inductor es demasiado grande, entonces \ $ V_ {out} \ $ cae primero y usted ha revertido momentáneamente la ley de control hasta que la corriente del inductor se acumula al valor correcto. Combate este RHPZ (en modo de voltaje o modo actual, en la misma posición) adoptando una frecuencia de cruce 30% por debajo de la posición más baja de RHPZ. Para un convertidor elevador operado en modo de conducción continua (CCM), el RHPZ está ubicado en \ $ \ omega_z = \ frac {{R_L} (1-D) ^ 2} {L} \ $ para que vea que adoptar un menor $ L \ $ al presionar la frecuencia de conmutación también hará que el RHPZ sea más alto (por lo tanto, más ancho de banda) y es otro parámetro a tener en cuenta al seleccionar \ $ F_ {sw} \ $.

Hemos visto el tamaño de los componentes, el ruido acústico, la frecuencia de cruce y, por supuesto, la EMI. EMI es un criterio importante para seleccionar la frecuencia de conmutación en función de lo que va a suministrar el convertidor de refuerzo (un cabezal sensible a RF, circuitos de medición, etc.) o el estándar que necesita aprobar. Por ejemplo, a pesar de la posibilidad de cambiar a una frecuencia mucho mayor, la gran mayoría de los adaptadores de CA-CC para portátiles funcionan a 65 kHz. ¿Por qué? Debido a que el segundo armónico \ $ H_2 \ $ está por debajo de 150 kHz, la frecuencia de inicio del estándar CISPR22. Por lo tanto, si tiene en cuenta la atenuación armónica natural, es posible que tenga menos trabajo para reducir el cambio de nivel de emisión a 65 kHz (porque tratará con \ $ H_3 \ $ ya menor) que con el fundamental a plena potencia si estuviera cambiando a 200 kHz. Espero que esto no fuera demasiada verborrea! :)