Моделирование импульсных источников, Micro-Cap, OrCad, SwithcCad - попробуем объять необъятное Опции

[AML]

Обсуждаемые вопросы переросли рамки данной темы, и поскольку уважаемый AML сделал интересное бескорысное предложение, предлагаю глубоко уважаемому AML создать в этой ветке тему типа "моделирование импульсных источников в MicroCap". Попутно всем заинтересованным подумать о создании (и структуре) опросника по применяемым деталям и материалам в источниках питания, соотнесенных с их параметрами (мощность, входное и выходное напряжения, токи). С наскоку у меня логически выстроенная структура не получилась (да и опыта создания опросника на форуме нет).

Вполне дельное предложение. Поэтому создаю указанную тему. Может из этого что-нибудь путное да выйдет...

Немного о целях. Я хочу попытаться промоделировать наиболее характерные режимы работы преобразователей напряжения, чтобы продемонстрировать преимущества и недостатки тех или иных топологий преобразователей, а также влияние на процессы в преобразователях паразитных параметров компонентов и методы борьбы с ними. Не знаю, насколько посильная эта задача, но попытаться можно. Надеюсь, что уважаемое сообщество тоже примет в этом процессе посильное участие, поскольку очевидно, что в одиночку я не справлюсь по ряду объективных и субъективных причин. Главная проблема – последний раз я держал в руках паяльник и щуп осциллографа в далеком 1995 году. И с тех пор моя работа ни прямо, ни косвенно не связана не только с преобразовательной техникой, но и с электроникой вообще. В настоящее время я журналист в газете областной администрации. Пишу это к тому, чтобы не было недопонимания – за 12 лет очевидно, что я существенно утратил квалификацию и главное – не могу на практике проверить достоверность результатов, получаемых при моделировании.

Зачем мне все это надо – вразумительно объяснить не могу. Будем считать, что это хобби, замешанное на ностальгии по былым временам. Плюс жалко, что весьма неплохое образование и кандидатская степень, полученные мною в области преобразовательной техники, оказались невостребованными. Я попал в тот «демогфический провал» выпускников начала 90-х, который хорошо виден на возрастной диаграмме участников этого форума (в разделе «опросы»).

Если совместными усилиям в этой ветке появятся демонстрация основных проблем и подводных камней проектирования преобразователей напряжения в моделях для симулятора, то, думаю, это будет неплохое подспорье новичкам. А поскольку это для меня хобби – я вполне могу позволить себе тратить на это время и силы. Правда, очевидно, что все это будет проистекать очень небыстро, поскольку иногда еще и работать надо.

На этом лирическое отступление считаю законченным.



Итак, по теме. Поскольку от уважаемого gyratorа прозвучало предложение сравнивать все на модельках, а уважаемый Прохожий сформулировал преимущества и недостаки флайбека при работе в режиме непрерывных и прерывистых токов, с этого и начнем. (предыстория здесь - http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=39519)

По моему скромному мнению, наиболее предпочтительным будет прерывистый режим, а еще лучше - его предельный случай критический режим, когда следующий цикл начинается сразу после закрывания выходного диода. Поясню свою позицию.
В непрерывном режиме:
1. При достаточно больших выходных напряжениях, обратное напряжение, приложенное к выходному диоду, вызывает ничем неограниченый обратный ток восстановления. Для этих токов времена восстановления, как правило, не оговариваются. Это явление хорошо известно из литературы в виде всплеска тока силового ключа при его открывании. Все это дело сопровождается "звоном", растянутым на время, значительно превышающее время обратного восстановления силового диода.
Попытка борьбы с этим явлением в виде ферритовых "бусинок", одеваемых на выводы диодов или силовых транзисторов, а так же всякого рода снабберы на диодах или силовых ключах однозначно приводят к потере КПД.
2. Помехи на частоте коммутации, особенно после открывания силового ключа, полностью подавить, как правило, не удается.
3. Управление flyback преобразователем более сложное по сравнению с квазирезонансным вариантом, опять же в связи с помехами.
4. Наличие динамических потерь при открывании силового транзистора.

Классические недостатки прерывистого режима:
1. Большие, по сравнению с непрерывным режимом, действующие значения токов.
2. Как следствие больший ток при закрывании силового транзистора.
3. Большие пульсации тока на выходном конденсаторе, что приводит к его удорожанию.
4. Большие изменения индукции сердечника трансформатора, практически от нуля и до максимума, что критично для потерь в сердечнике.

Резюме. Лучше выбирать прерывистый режим, а еще лучше - критический, поскольку в современных условиях транзистор с меньшим сопротивлением канала стоит столько же, что и с большим. Материалы для сердечников нинче обладают очень малыми потерями и хорошо переносят большие приращения индукции.
Согласен, что мое мнение достаточно спорно, поэтому ожидаю конструктивную критику со стороны уважаемого сообщества

Завтра я постараюсь выложить модельки, иллюстрирующие вышесказанное, а пока о методике сравнения.

Несмотря на мое скептическое отношение к комплексному сравнению схем на основе результатов моделирования, сравнение отдельных характеристик и демонстрацию особенностей считаю вполне возможной и весьма полезной в связи с этим хотел бы попросить совета по поводу методики такого сравнения.

Я считаю целесообразным проводить сравнение при трех значениях входного напряжения - 9 В, 24 В и 308 В, четырех значениях выходного напряжения - 5В, 12В, 60В, 300В, четырех значениях мощности 5Вт, 20Вт, 60Вт, 300Вт и трех значениях частоты – 100кГц, 250кГц, 500 кГц. Думаю, при этом можно будет говорить о тенденциях.
Такой сравнительный анализ на идеализированной модели вряд ли представляет практический интерес. Поэтому при расчетах нужно использовать модели реально существующих компонентов. И вот в этом месте мне нужна помощь – я не знаю современную элементную базу. Поэтому буду весьма признателен специалистам за помощь в выборе наиболее типично применяющегося в для каждого из рассмотренных вариантов силового транзистора и выпрямительного диода (синхронное выпрямление пока не рассматриваю).
Хотя бы по некоторым случаям:
Вар. 1. Вх. 9В, вых. 5В, f=250кГц, P=20Вт
Вар. 2. Вх. 9В, вых. 300В, f=250кГц, P=20Вт
Вар. 3. Вх. 24в вых. 5В, f=250кГц, P=60Вт
Вар. 4. Вх. 24в вых. 5В, f=100кГц, P=300Вт
Вар. 5. Вх. 24в вых. 300В, f=100кГц, P=300Вт
Вар. 6. Вх. 300в вых. 5В, f=100кГц, P=60Вт
Вар. 7. Вх. 300в вых. 12В, f=100кГц, P=60Вт
Вар. 8. Вх. 300в вых. 60В, f=100кГц, P=300Вт

Кроме того, буду признателен за любые предложения как по методике, так и по реализуемым вариантам.

[AML]

При одинаковой скажности и частоте это приведет к изменению параметров трансформатора.

Естественно. Я об этом сразу и написал:

Схема - та же, что и раньше, но только добавлен токоизмерительный резистор и уменьшена индуктивность обмоток трансформатора.

Ведь без изменения параметров трансформатора получить неперерывный режим при прежней частоте и прежней можности невозможно. Поэтому изменены индуктивности обмоток дросселя-трансформатора (или трансформатора флайбека - называйте его как угодно, хотя мое ИМХО прежнее - это впервую очередь дроссель, а лишь потом трансформатор)
Индуктивности обмоток обозначены в явном виде на картинках со схемами моделей.

Напряжение же в обоих случаях одинаково (5В) при нагрузке 1Ом. Я, кстати, потратил достаточно много времени, пока попал на режим, когда на выходе в установившемся режиме строго 5В, а режим токов - граничный.


Продолжение. Посмотрим не граничный, а уже явно прерывистый режим (индуктивность первичной обмотки вдвое меньше граничного значения). Выходное напряжение по прежнему 5В (средний график, чтобы не было сомнений).

Из-за роста амплитуды токов и напрядений имеем существенный рост динамическиз и статических потерь в ключе. Снаббер немного улучшает ситуацию, но не кардинально

[Mc_off]

Да, интересно.

Если вам не сложно можете провести моделирование квазирезонансного режима (когда открывание ключа происходит в момент первго минимума напряжения на стоке).

А вообще как-то странно. Это получается время закрывания очень большое...

[AML]

Да, интересно.

Пока все промоделированное выше представляет сугубо теоретический интерес. Практических выводов из приведенных результатов моделирования делать нельзя, поскольку не учтены процессы в диоде. Сейчас он считается практически идеальным и явления, про которые писал Прохожий, здесь не наблюдаются. А учет неидеальности диода может изменить получаемые результаты кардинально.
Поэтому я еще раз обращаюсь к уважаемому сообществу с просьбой выложить наименования пп-приборов, которые сейчас на практике используются в подобных схемах. Т.е. мне нужны пары транзистор-диод, которые наиболее часто испольщуются при перечисленных в начале топика случаях. Ну или хотя бы высоковольтную, низковольтную и "среднюю" пары.

[Прохожий]

Пока все промоделированное выше представляет сугубо теоретический интерес. Практических выводов из приведенных результатов моделирования делать нельзя, поскольку не учтены процессы в диоде. Сейчас он считается практически идеальным и явления, про которые писал Прохожий, здесь не наблюдаются. А учет неидеальности диода может изменить получаемые результаты кардинально.
Поэтому я еще раз обращаюсь к уважаемому сообществу с просьбой выложить наименования пп-приборов, которые сейчас на практике используются в подобных схемах. Т.е. мне нужны пары транзистор-диод, которые наиболее часто испольщуются при перечисленных в начале топика случаях. Ну или хотя бы высоковольтную, низковольтную и "среднюю" пары.

Транзистор IRFBE30. Для сетевого случая (800 В, 3 Ом).

CODE

.SUBCKT irfbe30 1 2 3
**************************************
* Model Generated by MODPEX *
*Copyright© Symmetry Design Systems*
* All Rights Reserved *
* UNPUBLISHED LICENSED SOFTWARE *
* Contains Proprietary Information *
* Which is The Property of *
* SYMMETRY OR ITS LICENSORS *
*Commercial Use or Resale Restricted *
* by Symmetry License Agreement *
**************************************
* Model generated on Apr 13, 99
* MODEL FORMAT: SPICE3
* Symmetry POWER MOS Model (Version 1.0)
* External Node Designations
* Node 1 -> Drain
* Node 2 -> Gate
* Node 3 -> Source
M1 9 7 8 8 MM L=100u W=100u
* Default values used in MM:
* The voltage-dependent capacitances are
* not included. Other default values are:
* RS=0 RD=0 LD=0 CBD=0 CBS=0 CGBO=0
.MODEL MM NMOS LEVEL=1 IS=1e-32
+VTO=4.05117 LAMBDA=0.000724984 KP=2.54295
+CGSO=1.14718e-05 CGDO=1e-11
RS 8 3 0.00216876
D1 3 1 MD
.MODEL MD D IS=1.43986e-15 RS=0.0294472 N=0.804575 BV=400
+IBV=0.00025 EG=1 XTI=1 TT=1.99875e-07
+CJO=1.07858e-09 VJ=2.72239 M=0.9 FC=0.1
RDS 3 1 1e+06
RD 9 1 2.21741
RG 2 7 6
D2 4 5 MD1
* Default values used in MD1:
* RS=0 EG=1.11 XTI=3.0 TT=0
* BV=infinite IBV=1mA
.MODEL MD1 D IS=1e-32 N=50
+CJO=2.57133e-09 VJ=1.12149 M=0.9 FC=1e-08
D3 0 5 MD2
* Default values used in MD2:
* EG=1.11 XTI=3.0 TT=0 CJO=0
* BV=infinite IBV=1mA
.MODEL MD2 D IS=1e-10 N=0.400393 RS=3e-06
RL 5 10 1
FI2 7 9 VFI2 -1
VFI2 4 0 0
EV16 10 0 9 7 1
CAP 11 10 2.57133e-09
FI1 7 9 VFI1 -1
VFI1 11 6 0
RCAP 6 10 1
D4 0 6 MD3
* Default values used in MD3:
* EG=1.11 XTI=3.0 TT=0 CJO=0
* RS=0 BV=infinite IBV=1mA
.MODEL MD3 D IS=1e-10 N=0.400393
.ENDS irfbe30

С диодом дело хуже. Поскольку используются в основном "китайцы" без всяких моделей.
Вот, что удалось подобрать в "пару" к вышеназванному транзистору из продукции SGS/Thompson - STTH3R06 (3А, 600В, 35 нс):

CODE

*******************************************************************
* Model name : STTH3R06
* Description : Turbo2 Ultrafast High Voltage Rectifier
* Package type : DO41
*******************************************************************
.MODEL STTH3R06 D
+ IS=8.5465E-6
+ N=3.0516
+ RS=29.400E-3
+ IKF=.13432
+ CJO=74.985E-12
+ M=.43409
+ VJ=.68625
+ ISR=10.010E-21
+ NR=4.9950
+ FC=0.5
+ TT=14.500E-9

По параметром сей диод соответствует большинству из применяемых нынче "китайцев".
По поводу оказии с диодом, о которой я упоминал. На модели может не получиться по ряду причин. В реальности все присутствует и выражается в необоснованном нагреве диода.