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]

Позволю себе пополнить коллекцию картинок

Мощно. Аж глаза разбегаются

А коэф. связи не слишком большой? У реального транса, мне думается, он меньше.

Посмотрел - коэфициент связи явно завышен был.
Для наглядности несколько ихменил схему моделирования. Связь обмоток сделал 100% (коэф. связи K=1), а индуктивность рассеяния ввел в явном виде и, как и обещал, промоделировал прерывистый, краничный и непрерывный режим при индуктивности рассеяния в диапазоне 1-4% индуктивности намагничивания при наличии снеббера и без него. Отключение/включение снаббера проводится изменением емкости с 2р на 2n (чтобы не менялась топология ихемы и не надо дыло заново пересчитывать начальные условия)
Схема моделирования для прирывистого режима:

В ней задан степпинг (изменение с заданным шагом) индуктивности рассеяния Ls в диапазаоне 0.6u - 0.24u (u - обозначает "микро").

Результаты моделирования показывают, что общий вид процессов почти не меняется. Из-за того, что индуктивность намагничивания в этом режиме мала, то мала и индуктивность рассеяния (которая считается в % от индуктивности намагничивания). Энергии в ней запасается немного и она влияет лишь на процессы коммутации (фронты).

Но именно коммутационные процессы существенным образом влияют на потери в ключе, поэтому, несмотря на то, что общие процессы в схеме изменились совсем мало, потери в ключе заметно возрастают с увеличением индуктивности рассеяния (зеленые графики).

Введение снаббера в схему с перывистым режимом существенно уменьшает суммарные потери. Емкость успешно формирует траекторию переключения, заметно снижая потери в ключе, а энергия, запасенная в индуктивности рассеяния мала, поэтому потери в снаббере совсем невелики. Получается сумарный выигрыш.

Хотя только лишь из диаграммы токов и напряжений при выключении это совсем не очевидно.



При работе в граничном режиме (индуктивность намагничивания увеличина с 6мкГ до 12 мкГн) влияние индуктивности рассеяния уже заметна не только на фронтах - появились явно выраженные "звоны" при выключении ключа (снаббера пока нет)

Однако, несмотря на эти "звоны" и рост индуктивности рассеяния, потери в ключе получились в три раза меньше, чем в прерывистом режиме.
Процессы при выключении ключа при 1% и 4% выглядят следующим образом:

Снаббер также уменьшает потери (в смысле, суммарные потери в снаббере и в ключе порлучаются меньше, чем в ключе при отсутствии снаббера). Но этот эффект не так явно выражен, как в прерывистом режиме.

Хотя формы напряжения и тока при выключении ключа в этом случае гораздо красивее



И, наконец, непрерывный режим. Причем, весьма хорошо непрерывный (индуктивность намагничивания в 20 раз больше граничной - 250 мкГн.) Соответственно, индуктивность рассеяния получается 2.5, 5, 7.5 и 10 мкГн.
Такие большие индуктивности рассеяния очень сильно влияют на процессы в схеме.

Однако на первый взгляд, это не приводит к существенному росту потерь.
Думаю, это впечатление обманчиво и вызвано некорректностью расчета потерь. Дело в том, что при больших значениях индуктивности рассеяния подает выходная мощность (напряжение). Это вызвано фактическим сокращением эффективной длительности импульса из-за того, что ток в ключе при коммутации нарастаеи медленно (скорость ограничена индуктивностью рассеивания). При инуктивности рассеяния 10 мкГн и неизменных прочих параметрах выходное напряжение снижается с 5В до 3,3В.
Для корректного сравнения надо было бы подбирать режимы, при которых выходная мощность осталасб бы неизменной (меняя коэфиициент трансформации). Но на это ушло бы много времени и я поленился это делать
Поэтому сравнение с предыдущими результатами возможно только при 1% индуктивности рассеяния, когда выходное напряжение изменилось весьма незначительно (с 5В до 4.8В).


Общий вид процесов при подключении снаббера

Однако для сравнения также можно использовать результаты с минимальной индуктивностью


В отличие от предыдущих схем, включение снаббера резко (в три раза) увеличило суммарные потери. Это вполне объяснимо - индуктивность рассеяния в 20 раз выше, чем в граничном варианте, соответственно, в снаббере рассеивается в 10 раз больше мощности (грубо). Но функцию ограничения мгновенной мощности и уменьшение "звонов" он выполняет успешно. Но за это приходится платить снижением КПД.
Процессы при включении и выключении (индуктивность рассеяния 1% - 2,5 мкГ)


Анализ полученных режимов показывает, что при выбранных допущениях самый эффективный с точки зрения потерь - граничный. Но он весьма требователен к величине сопротивления канала ключа, поскольку активная составляющая потерь весьма велика и при большом попротивлении канала выигрыша в потерях можно не получить.

Непрарывный режим менее требователен к велисине сопротивления канала, но налагает достаточно высокие требования на конструкцию трансформатора - индуктивность рассеяния для эффективной работы не должна превышать 1%.

Хотел бы еще обратить внимание на один момент. Если смотреть мгновенную можность (произведение тока на напряжения) на "стоке" транзистора и на копротивлении "канала" - то получаются радикально разные картинки (малиновый и коричневый график).

С одной тороны, это вполне очевидно - на "стоке" помимо собственно тока канала (а это и есть активная тепловая мощность рассеивания) протекают реактивные токи перезаряда паразинтных ескостей (затвор-сток и сток-исток).
Получается, что вычисленная таким образом мгновенная мощность имеет мало общего с импульсной активной мощностью на ключе, которая как раз-таки опредеяет потери при переключении и ОБР.

В у меня модели рассеиваемая мощность считается как интеграл от активной мощности канала.
Как я уже писал выше, она полностью совпедает с мощностью, вычисленной как интеграл от произведения тока и напряжения на стоке. Поэтому считаю такой подгож првильным.
Но возникает вопрос, как в реальной схеме с МОП-транзистором можно оценить мгновенную активную мощность? Поизведение тока и напряжения стока такой информации, ИМХО, не дает. Произведение тока истока на напряжение стока - тоже. Как практики ее измеряют? (я с полевиками работал очень мало, поэтому своего опыта у меня особе нет - всегда смотрел ток и напряжение стока и не задумывался о емкостных составляющих)

Использованные при расчетаз файлы (в формате mc9) - в прикрепленном архиве
Обращаю внимание, что во все эти файлв внедрена директива установки начальных условий для установившегося режима .IC ......
Поэтому при коррекции файла (изменении названи компонетов или их добавлении) появится соотщение об ошибке (начальные условия для новых компонентов не поределены директивно).
Для коррекции схемы эту внедненную директиву нужно удалить или закомментировать.

Прикрепленные файлы

 flyback__Ls.rar ( 42.27 килобайт ) Кол-во скачиваний: 150

 

[wim]

... Для корректного сравнения надо было бы подбирать режимы, при которых выходная мощность осталасб бы неизменной (меняя коэфиициент трансформации). Но на это ушло бы много времени и я поленился это делать

Есть другой вариант - для проверки модели можно взять какую-нить апликуху (например, Power Integration), где приводятся параметры (кпд в т.ч.) и для непрерывного и для прерывистого режимов.