Что заставляет конденсатор моего DC / DC преобразователя взрываться?

У меня взорваны конденсаторы, и я не уверен, что является причиной этого. Это, безусловно, не перенапряжение и не неправильная поляризация . Позвольте мне представить сценарий:

Я разработал двухкаскадный Boost-конвертер по этой схеме:

$\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$$D_ \max$

Я хочу увеличить входное напряжение 12В до 100В . Моя нагрузка составляет 100 Ом , следовательно, она будет рассеивать 100 Вт. Если я не буду считать потери (я знаю, что я слишком идеалист, успокойся), источник входного напряжения выдаст 8,33A.

Мы можем разделить схему на две ступени, выход первой ступени является входом второй ступени. Вот моя проблема:

С1 взрывается, когда напряжение на нем достигает приблизительно 30 В. С1 рассчитан на 350 В, это электролитический конденсатор 22 мкФ (радиальный) 10x12,5 мм. Я полностью уверен, что поляризация правильная.

Входной ток второй ступени должен (в идеале) составлять около 3,33 А (чтобы сохранить 100 Вт при 30 В для этой ступени). Я знаю, что ток может быть выше, но это хорошее приближение для этой цели. Частота переключения составляет 100 кГц .

По какой-то причине крышка взрывается, и я не знаю почему. Конечно, когда это происходит, крышка (мертвая) горячая.

Может ли это быть эффект от ESR? Эта крышка имеет коэффициент рассеяния 0,15 при 1 кГц. поэтому (DF также увеличится для более высокой частоты) для C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Поскольку L2 довольно большой, я ожидал бы, что C1 будет выдавать довольно постоянный ток, равный входному току второго модуля (3.33A), поэтому мощность, рассеиваемая в ESR, должна составлять:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

Может ли это сделать его слишком горячим и взорваться? Я сомневаюсь в этом....

Дополнительная информация:

• L1 составляет около 1 мГр
• L2 составляет около 2 мГр
• D1 - диод Шоттки 45В
• Я попробовал два разных конденсатора: 160 В 22 мкФ, которые взорвались, а затем я попробовал 350 В 22 мкФ, которые тоже взорвались.
• Измерение тока в крышке будет затруднено из-за расположения печатной платы
• И первый, и второй MOSFET имеют небольшую демпфирующую RC-сеть. Я не думаю, что это может вызвать какие-либо проблемы в C1.

Я жду ваших идей!

РЕДАКТИРОВАТЬ n ° 1 = L1 довольно большой, пульсация составляет всего 1% от номинального входного тока (скажем, 100 Вт / 12 В = 8,33 A), поэтому Que может предположить, что это почти как постоянный ток на входе этапа 1. Для этапа 2 пульсация тока в индуктивности составляет менее 5%, мы также можем считать, что это постоянный ток). Когда МОП-транзистор 1 включен, через него проходит около 8,33 А, но когда он выключен, этот ток (мы говорили «практически постоянный») пройдет через D1. Можно сказать, что ток в конденсаторе будет . Затем мы наконец обнаруживаем, что пиковый ток в C1 должен быть порядка . Довольно актуально! и он рассеял бы ... но выглядит не так много энергии, рассеиваемой в ESR.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Как кто-то сказал, я мог бы также рассмотреть внутреннюю индуктивность крышки, но я думаю, что это не будет причиной рассеивания мощности (мы знаем, что индукторы накапливают энергию, но не превращают ее в тепло). В любом случае, несмотря на приведенный выше расчет было очень упрощено, и это могло бы быть немного более высокой рассеиваемой мощностью, я все еще задаюсь вопросом, достаточно ли этого, чтобы заставить это кипеть и взрываться!

Пиковый ток пульсации для C1 составляет приблизительно I (out) / D, где D = рабочий цикл. Если рабочий цикл составляет, скажем, 50% на выходе 30 В, пульсация для C1 составляет 3,3 / 0,5 = 6,6 А. По мере уменьшения рабочего цикла это ухудшается. Если коэффициент заполнения составлял 10% = 0,1, то текущий пик составляет 33 А.

Если затем вы используете значение ESR, рассеиваемая мощность составляет около 0,4 Вт, что намного выше, чем вы рассчитывали ранее.

Если я посмотрю на конденсаторы 160 В на Mouser (я предполагаю, что вы используете Al Electrolytics), то я не вижу ничего общедоступного , способного выдержать пиковые токи, которые вам нужны.

Я бы предложил вам использовать Webench от TI для проработки дизайна, а затем посмотреть на выбранные компоненты. Вы заметите, что во многих конструкциях используются конденсаторы с очень низким ESR, и часто они имеют два или даже три параллельно. Например, они часто используют полимерные колпачки Panasonic в своих конструкциях и имеют очень высокие значения пульсаций тока при очень высоких частотах.

Ваши конденсаторы могут иметь довольно большую внутреннюю индуктивность - слишком много для импульсов 100 кГц. Вы должны подключать несколько меньших неэлектролитических конденсаторов параллельно с ними, пока осциллограф не покажет, что пределы напряжения не превышены.

КСТАТИ. ток течет как импульсы от катушек индуктивности, как только выключаются жары. Начало импульса тока очень резкое - такое же резкое, как и скорость, с которой могут отключаться феты. Если частота переключения составляет 100 кГц, конденсаторы действительно должны правильно обрабатывать несколько МГц. ПРИМЕЧАНИЕ: разработаны электролиты с низкой индуктивностью для приложений SMPS, но они стоят реальных денег, а не копеек, как обычные модели.

Позднее добавление: вся ваша выходная мощность сначала сохраняется в конденсаторах - прямой путь от входа к выходу отсутствует. Как предлагается в нескольких других комментариях - явное рассеяние в ваших конденсаторах может вызвать некоторое кипение. Индуктивность заставляет его локализоваться больше на ближних концах внутреннего рулона пластины.

Бьюсь об заклад, на силу, созданную волнами пульсации. Ваш конденсатор имеет некоторое СОЭ. Импульсный ток вашей величины может легко уйти туда, как десять-двадцать ватт. Итак ... Положите несколько параллельно, с наименьшим возможным ESR / ESL

Cap                       Max ESR Ω   Max RMS ripple     
(uF)   VDC  PART #        120Hz      (mA) 120Hz,105C  DxL (mm)
---    ---- ------------  ---------  ----------       ---------
22     160  226CKE160MLN  11.3094     92              10x12.5

C * ESR = Ts = 22 мкФ * 11,3 Ом = 250 мкс, f (bw) = 0,35 / Ts = 5,6 кГц, что является самой высокой скоростью зарядки, которую он может выдержать, и достигает полного напряжения зарядки.

$Pc=I^2ESR$

Теперь, чтобы выбрать колпачок 22 мкФ, вы должны следовать рекомендации App Note и выбрать колпачок с низким ESR, а не электролитический (общего назначения).

То, что они не говорят вам в школе (а я много раз комментировал на этом сайте), так это то, что у электронной шапки GP ESR * C> = 100 у нас, в то время как низкая ESR cap <10us, а в лучшем случае <1us. Это то, что вам нужно при выборе периода переключения <10us.

Теперь нетрудно отсортировать базы данных Digikey или Mouser по ESR или искать другими способами сверхнизкие значения ESR. Возможно, вы также захотите ознакомиться с паспортами безопасности MSDS на электронных крышках для выявления воздействия токсичных материалов при их взрыве.

Приложение App рекомендует вам ожидать при выборе индуктора, что

Хорошая оценка для пульсирующего тока индуктора составляет от 20% до 40% выходного тока.

E-Caps оцениваются несколькими способами. DF при 120 Гц (для использования с выпрямителем на мостиковых линиях) максимальный пульсирующий ток ESR (тип.) Не выдерживается после 10 лет!

Важно помнить, что колпачки обычно заряжаются путем сброса импульсов тока, а затем медленно разряжаются между импульсами, поэтому рабочий цикл определяет отношение пикового / среднего тока. Если пульсирующее напряжение составляет 10%, то отношение pk / avg составляет 10/1. Если рассеяние энергии - это рассеяние мощности в каждом импульсе, умноженное на частоту повторения импульсов. Нет проблем, так как 100 Гц и в 1000 раз хуже при 100 кГц.

Следовательно, результатом непонимания тонкого совета в Приложении к приложению ... является китайский фейерверк.

Ссылки от OP в комментариях, которые должны были быть в вопросе

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Характеристики кепки
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Примечание к приложению Boost Reg Design