Simulation eines Leistungsoszillators der Klasse E mit LTspice

Mein Ziel ist es, einen Leistungsoszillator der Klasse E zu verstehen und zu entwerfen. Zu diesem Zweck versuche ich, das folgende Schema mit LTSpice zu simulieren. Die Schaltungstopologie und die Designwerte sind dem Papier " von hier " entnommen -

Designspezifikationen, die in dem Papier verwendet werden, sind; Pout = 1 W, Versorgung = 4,5 V, Frequenz 800 kHz, RL = 50 Ohm, QL = 13, Wirkungsgrad = 90 % Ziel dieser Frage ist nicht, das Papier zu verstehen, sondern zu verstehen, warum meine Wiederholungssimulationen nicht funktionieren - natürlich habe ich glauben, dass die Schaltung mit ihren Werten gut funktionieren sollte. Aber um die Frage klarer zu machen, wird in diesem Dokument die Schaltung unter Verwendung ihrer äquivalenten Impedanzabschnitte modelliert (wobei nur die Grundharmonische angenommen wird) und die Komponentenwerte werden unter Verwendung von Klasse-E-Entwurfsgleichungen für eine Einschaltdauer von 0,5 berechnet. Einige Dinge zu beachten: In ihrer Analyse wurde die Gate-Source-Impedanz des MOSFET, Zgs, bei 800 kHz gemessen und für die analytischen Gleichungen verwendet, und der Spannungsteiler wird experimentell abgestimmt, um eine Einschaltdauer von 0,5 zu erhalten.

(Unterschiede zum Originalpapier sind 1. Machen Sie R2 170k -> 150k, weil es die Schwingung nicht erzeugte, wenn R2 = 170k, 2. Das Zenerdiodenmodell wurde nicht in dem Papier angegeben.)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Jedoch sind die Oszillationswellenformen wie folgt. Dazu gehören Drain-Spannung - V (D); Gate-Spannung - V(G), Spannung über RL - V(RL+) und Versorgungsstrom - I(V1)Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was könnte der Grund dafür sein, dass dieser Oszillator nicht wie erwartet funktioniert? (Es wird erwartet, dass es ungefähr 1 W Leistung an RL liefert, aber hier sind es nur wenige Milliwatt.)

Kann alternativ jemand eine andere Referenz (vorzugsweise Open Access) vorschlagen, um einen Leistungsoszillator der Klasse E zu entwerfen, der den gleichen Designspezifikationen nahe kommt?

Sie können das Original nur anzeigen, wenn Sie IEEE-Mitglied sind. Möchten Sie, dass die Antworten auf diese Personen beschränkt sind? Markieren Sie auch die Knoten, die Sie auf Ihrem Schaltplan gemessen haben.
Sieht so aus, als ob die erste Aufgabe darin besteht, die LF-Resonanz zu finden und zu töten. Was sagt das Papier über L3 und Cgs/Cgd?
Andy, wenn Sie den IEEE-Titel kopieren, können Sie (manchmal) woanders suchen
Pojj, was verstehen Sie über die Auswahl der Komponente Q und den Leitungswinkel in Klasse E?
C3 und Cbp sind nutzlos. Wenn Sie möchten, dass sie aktiv sind, schießen Sie 4.5 Rser=10m(zum Beispiel) in V1. Besser noch, mach es 4.5 Rser=10m Cpar=1u.
Immer wenn ich Papier mit reaktiven Teilen sehe, die 4-stellige Werte verwenden, erwarte ich, dass das Design viele Fehlerquellen übersieht. Dieser Oszillator muss genügend gm oder Verstärkung haben, um den C-Ratio-Dämpfer zu überwinden. Du hast einen 71kHz Osc. Ich frage mich, wie dein Layout aussieht
@ Brian Drummond, ich habe versucht, Lc1 zu erhöhen, aber es hat nicht geholfen, wenn Lc1 10 mH beträgt, reduziert sich die Welligkeit des Versorgungsstroms auf ~ 1 mA, aber eine niedrige LF-Resonanz ist immer noch vorhanden. Was kann ich tun, um diesen LF loszuwerden?
@TonyStewartolderthandirt, nach meinem Verständnis muss die Q-Auswahl harmonische Unterdrückung und Resonanzverluste berücksichtigen, und der Leitungswinkel der Klasse E sollte Null sein (MOSFET fungiert als Schalter in ZVS- und ZdVS-Regionen). Die Oszillationsfrequenz soll bei 800 kHz liegen, und die 71-kHz-Oszillation scheint von einer NF-Resonanz zu stammen, die ich nicht identifizieren konnte. Ich habe noch kein experimentelles Layout, sondern probiere nur erste Simulationen aus
Verstehst du aus meinem Kommentar oben, warum es nicht gut funktioniert? Wenn Sie nicht lesen, bis Sie es tun
@TonyStewartolderthandirt, es ist schwierig, deinen Punkt zu verdauen, vielleicht weil mein Hintergrund nicht so stark ist. Aber ich bemerkte, als ich das Rückkopplungsverhältnis erhöhte (indem ich C32 auf 20n verringerte), oszillierte die Schaltung - also war die Verstärkung von der Verstärkerstufe nicht hoch genug, um die Barkhausen-Bedingung zu erfüllen?. Aber ich konnte Ihren Kommentar zu 71 kHz und 11. Harmonischer nicht bekommen ? Welche LC-Kombinationen erzeugen Sekundärresonanzen?
Der Schalter leitet zu C1, wodurch die Spannung stark abfällt, und der Nebenschlussstrom von L1 entspannt sich dann, während L1 weiterhin Strom von der abgesenkten Spannung liefert. Somit injiziert die Schleife eine Induktivität und überbrückt die C1-Kapazität, wodurch die Schleifenresonanzfrequenz beim Leiten verändert wird. Beim Loslassen des Schalters fließt Strom durch C1 in die entgegengesetzte Richtung, wenn Vds ansteigt, wobei L1 eine Stromquelle ist und die Schleife jetzt eine höhere Schleifen-BPF-Resonanz oder Spitzenverstärkung bei etwa 800 kHz hat. Dies ist die Aktion eines Einspritzregelkreises der Klasse E. Überwachen Sie IDs mit einer aktuellen Sonde in Sim und ändern Sie Beta oder RdsOn und R
Der L1-Strom I (V1) schwingt tatsächlich mit, aber die Impedanz des FET-Schalters und sein Stromspektrum sind ganz anders.

Antworten (1)

Ich sehe, dass die Induktoren den Punkt anzeigen, das ist normalerweise, wenn eine Kopplung vorliegt (sofern nicht manuell angezeigt). Hier ist mein Versuch, keine Kopplung:

Osz

und einige Details für die Wellenformen wie in Ihrem Beispiel. Beachten Sie, dass V(x)ich V(RL+)Parasiten für die Versorgung verwendet habe, was bedeutet, dass der Strom durch sie das enthält, was Ihre Kondensatoren gewesen wären (wenn Sie gemäß dem Kommentar einen gewissen Widerstand zwischen der Versorgung und den Kappen gehabt hätten ) :

Einzelheiten

Danke, jetzt habe ich eine funktionierende Schaltung für weitere Studien. Aber als ich das Mosfet-Modell MTP3055 (heruntergeladen von Link ) verwendete , oszillierte es immer noch nicht. Ich bin mir nicht sicher, ob es an Parasiten oder Problemen mit dem Modell liegt - egal, es spielt jetzt keine Rolle. Roger, dein Kommentar. Als nächstes geht es einen Schritt weiter in die Effizienzanalyse!
Es gibt eine viel bessere Topologie und haben Sie ein Effizienzziel?
@Pojj Das sind Teilschaltungen (dh mehr beteiligte Modelle), also kann ich Ihnen nicht sagen, was falsch ist oder nicht, ich habe einfach eine .modelaus der LTspice-Datenbank verwendet. Aber ich würde raten, andere MOSFETs zu verwenden, selbst IRF hat neuere, bessere als diese hergestellt, sie sind ziemlich alt.
@TonyStewartolderthandirt, ja, mein Ziel ist es, einen Wirkungsgrad von> 90% bei einem niedrigen Rückkopplungsverhältnis zu erreichen, und C32 ist eine variable Obergrenze. Würden Sie bitte die bessere Topologie vorschlagen?
@aconcernedcitizen, denken Sie, dass IPN50R650CE eine gute Option ist? Ich suche nach MOSFETs mit höherer Leistung, da ich die Leistung auf 5 W - 10 W erhöhen möchte. Haben Sie eine Empfehlung? - Ich verstehe immer noch den Topologiebetrieb - also suche zuerst nach einem geeigneten MOSFET mit einem funktionierenden Simulationsmodell.
@Pojj Für dieses Setup sieht es so aus, als wäre ein Rdson von 100 bis 300 mOhm die Wahl, die Gate-Ladung ist nicht so wichtig. Wenn Sie eine höhere Leistung wünschen, ist die Erhöhung von Rdson keine vernünftige Wahl. Außerdem scheint die Vds zu hoch zu sein, da die Drain-Spannung ~ 3-mal so hoch ist wie die Versorgung (möglicherweise höher bei verschiedenen Topologien), aber der Strom ist das, was Sie für die Stromversorgung suchen. Sie könnten leicht einen Oszillator mit kV am Drain herstellen, aber fast ohne Strom. Leistung braucht Strom, also niedriger Rdson, aber nicht zu niedrig, oder es kann stattdessen die Schwingungen dämpfen.
@aconcernedcitizen, das ist ein meisterhafter Ratschlag, nach dem ich gesucht habe. Werde es im Hinterkopf behalten. Wie sieht es mit Eingangs- und Ausgangskapazitäten aus? Sollte ich nach niedrigen Werten suchen?
Betrachten Sie das Oberschwingungsverhältnis und die Impedanz der Sekundär-/Primärresonanz, wenn RdsOn* Arbeitszyklus <50 Ohm. Sie haben 71 kHz Grundton anstelle der 11. Harmonischen erhalten, was die Primärstimmung zu kritisch macht. Ich würde eher einen Serien-FET als einen Shunt-FET verwenden
@Pojj Die MOSFET-Kapazitäten spielen bei der Auswahl der Werte für die Induktivitäten und Kapazitäten eine Rolle. Ob klein oder groß, sie werden hauptsächlich numerisch beeinflusst, da Sie hier kein hartes Umschalten haben, um Übergangsverluste zu berücksichtigen. Sie sollten jedoch nicht zu hoch sein (z. B. zu viele nF oder sogar zehn nF), da diese für die Verlustleistung verantwortlich sind. Und zu niedrig (hunderte oder zehn pF) verursacht weniger Verluste, erzeugt aber wahrscheinlich höhere Werte für Ls und kleinere für Cs, also höheres Q, also höhere Instabilität (analoge Elemente leiden darunter). Kurz gesagt, schwer zu sagen.
Sogar der DCR der L1-Spule kommt ins Spiel.
Simulation eines Leistungsoszillators der Klasse E mit LTspice
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