Este grupo de expertos pasados algunos días de investigación y de recopilar de información, obtuvimos los datos necesarios, queremos que te resulte útil en tu proyecto.
Solución:
Dos razones…
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Las frecuencias más altas significan que puede usar componentes más pequeños, más baratos y más livianos.
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Bajo una cierta frecuencia (alrededor de 50 KHz) se genera ruido audible. En el extremo superior volverá locos a sus mascotas, en el extremo inferior lo volverá loco a usted y a sus usuarios.
El truco consiste en llegar a un equilibrio. Haga que la frecuencia sea lo suficientemente alta para limitar los costos y lo suficientemente baja para poder encontrar interruptores adecuados que no tengan demasiadas pérdidas.
También hay otra compensación. Las frecuencias más bajas significan más ondulación con la que debe lidiar, pero nuevamente las frecuencias altas significan más ruido EMI.
Conseguir el equilibrio adecuado es un arte.
¿Por qué las frecuencias de conmutación de los convertidores impulsores están por encima del rango de 100 kHz?
Un potente convertidor de refuerzo podría funcionar en el rango de kHz bajo / medio y podría hacerlo porque los transistores de potencia utilizados son dispositivos inherentemente lentos. El truco consiste en operar a una frecuencia en la que static pérdidas aproximadamente iguales a pérdidas dinámicas.
Si lo entiendo correctamente, a medida que la frecuencia aumenta de 100 kHz hacia arriba, la corriente de ondulación que se crea a partir del inductor disminuye, el cambio de corriente con el tiempo disminuye en el inductor y los componentes pueden ser más pequeños porque no tienen que lidiar con más grandes ( relativas) corrientes.
La corriente de ondulación prepara el escenario para la cantidad de energía que almacena el inductor y se le da al condensador de forma cíclica. 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 ondulación podría ser menor, pero esto no entrega la misma potencia (energía proporcional a la corriente al cuadrado) y, por lo tanto, la inductancia tiene reducirse y esto aumenta la corriente de ondulación. Si intenta tener en cuenta la posibilidad de ejecutar el modo de conducción continuo o discontinuo, 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 de las pérdidas de conmutación en el MOSFET, así como las pérdidas del núcleo del inductor.
Si y no. Las pérdidas de conmutación aumentan, pero algunas pérdidas de núcleo se reducen, como la saturación. Sin embargo, las pérdidas por corrientes parásitas (generalmente más pequeñas que la saturación del núcleo) tenderán a aumentar y es por eso que ve un desarrollo significativo en la fabricación de núcleos adecuados para conmutación por encima de 1 MHz.
Entonces, dado que puede aumentar la eficiencia al disminuir la frecuencia, ¿por qué no se producen cambios de frecuencia en rangos más bajos? el rango de 100Hz-10kHz, por ejemplo?
A bajas frecuencias, la saturación del inductor es un factor importante: bajar la frecuencia y las pérdidas de saturación pueden dispararse repentinamente. Si mantiene el equilibrio entre dinámica y static pérdidas en sus MOSFET que suele ser la mejor frecuencia para apuntar (como se mencionó anteriormente).
¿Es que los cambios de corriente con los que tiene que lidiar el inductor son demasiado altos y las pérdidas resistivas del cableado del inductor comienzan a dominar como la principal fuente de pérdida de energía?
Una frecuencia más baja significa menos energía transferida por segundo y esto significa que debe correr a corrientes más altas (para obtener la misma potencia), pero no se obsesione con esto. Ejecutar CCM (modo de conducción continua) significa que la corriente de ondulación puede ser muy pequeña para transferir la misma energía.
Hay muchos factores diferentes que dictan la elección de la frecuencia de conmutación para cualquier convertidor. Uno de ellos es el magnetismo y el tamaño del condensador, que tienden a reducirse a medida que aumenta la frecuencia. Si baja la frecuencia, no solo estos componentes se agrandan, sino que también sufrirá ruido acústico cuando ingrese al rango de audio. El segundo factor importante es la eficiencia. Si cambia permanentemente a 100 kHz en condiciones de carga ligera, las pérdidas de conmutación afectarán la eficiencia en gran medida. Como resultado, muchos de los convertidores dc-dc actuales implementan un llamado modo de retroceso 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 salto si la corriente de carga cae aún más. Si esta secuencia de salto se produce con un pico de corriente bajo, no escuchará nada.
Un factor importante es la frecuencia de cruce $ f_c $ que generalmente 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 $ F_ sw $ de 100 kHz no respetará el criterio de Nyquist. Necesitaría empujar $ F_ sw $ a 250 kHz, por ejemplo. Sin embargo, debe tener en cuenta el desagradable medio plano cero 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 refuerzo: primero almacene energía en la inductancia $ L $ y luego libérela a la carga. Si la demanda actual crece, no puede responder instantáneamente como con un convertidor reductor, 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 $ primero cae y ha invertido momentáneamente la ley de control hasta que la corriente del inductor se acumule al valor correcto. Usted lucha contra este RHPZ (en modo de voltaje o modo de corriente, la misma posición) adoptando una frecuencia de cruce un 30% por debajo de la posición RHPZ más baja. 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 $, por lo que ve que adoptando un $ L $ al presionar la frecuencia de conmutación también relegará el RHPZ más alto (por lo tanto, más ancho de banda) y es otro parámetro a tener en cuenta al seleccionar $ F_ sw $.
Así que hemos visto el tamaño de los componentes, el ruido acústico, la frecuencia de cruce y, por supuesto, la EMI. La EMI es un criterio importante para seleccionar la frecuencia de conmutación dependiendo de lo que el convertidor elevador vaya a suministrar (un cabezal sensible a RF, circuitos de medición, etc.) o qué estándar debe pasar. Por ejemplo, a pesar de la posibilidad de cambiar a una frecuencia mucho más alta, la gran mayoría de los adaptadores ac-dc 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. Entonces, si tiene en cuenta la atenuación armónica natural, es posible que tenga menos trabajo para reducir la conmutación del nivel de emisión a 65 kHz (porque lidiará con $ H_3 $ ya más bajo) en lugar de con el fundamental a plena potencia si estuviera cambiando a 200 kHz. ¡Espero que esto no haya sido demasiada palabrería! 🙂