Co powoduje wybuch kondensatora mojego przetwornika DC / DC?

Mam wysadzone niektóre kondensatory i nie jestem pewien, co jest tego przyczyną. Zdecydowanie NIE JEST PRZEKŁADNIĄ I NIE MA ZŁEJ POLARYZACJI . Pozwól, że przedstawię scenariusz:

Zaprojektowałem podwójnie kaskadowy konwerter Boost, korzystając z tego schematu:

Vout można uzyskać od: $\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$gdzie to maksymalny cykl pracy.$D_ \max$

Chcę step-up napięciu wejściowym 12V do 100V napięcia wyjściowego. Moje obciążenie wynosi 100 Ω , więc rozpraszałoby 100 W. Jeśli nie rozważę żadnych strat (wiem, że jestem zbyt idealistą, uspokój się), źródło napięcia wejściowego dostarczy 8,33A

Możemy podzielić obwód na dwa etapy, wyjście pierwszego stopnia jest wejściem drugiego stopnia. Oto mój problem:

C1 wybuchnie, gdy napięcie w poprzek osiągnie około 30 V. C1 jest przystosowany do 350 V i jest kondensatorem elektrolitycznym 22uF (promieniowym) 10 x 12,5 mm. Jestem całkowicie pewien, że polaryzacja jest właściwa.

Prąd wejściowy drugiego stopnia powinien (idealnie) wynosić około 3,33A (aby utrzymać 100W przy 30V na tym etapie). Wiem, że prąd może być wyższy, ale jest to dobre przybliżenie do tego celu. Częstotliwość przełączania wynosi 100 kHz .

Z jakiegoś powodu czapka się wysadza i tak naprawdę nie wiem dlaczego. Oczywiście, gdy tak się dzieje, czapka (martwa) jest gorąca.

Czy może to być efekt ESR? To ograniczenie ma współczynnik rozproszenia 0,15 przy 1 kHz. Więc (DF zwiększyłby się również dla wyższej częstotliwości) dla C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Ponieważ L2 jest dość duży, spodziewałbym się, że C1 dostarczy dość stały prąd równy prądowi wejściowemu drugiego stange (3,33A), więc moc rozproszona w ESR powinna wynosić około:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

Czy może to spowodować, że będzie za gorąco i wybuchnie? Wątpię....

Dodatkowe informacje:

• L1 wynosi około 1mHy
• L2 wynosi około 2mHy
• D1 jest schottky diodą 45 V.
• Próbowałem dwóch różnych kondensatorów: 160 V 22uF, które wysadziły w powietrze, a następnie wypróbowałem 350 V 22uF, które również wybuchły.
• Pomiar prądu w nasadce byłby trudny ze względu na układ płytki drukowanej
• Zarówno pierwszy, jak i drugi tranzystor MOSFET ma małą sieć RC z ogranicznikiem. Nie sądzę, że może to powodować problemy w C1.

Czekam na twoje pomysły!

EDYCJA nr 1 = L1 jest dość duży, tętnienie wynosi tylko 1% znamionowego prądu wejściowego (powiedzmy 100 W / 12V = 8,33 A), więc que może założyć, że jest prawie jak prąd stały na wejściu stopnia 1. Dla stopnia 2 tętnienie prądu cewki indukcyjnej jest mniejsze niż 5%, możemy również myśleć, że jest to prąd stały). Kiedy MOSFET 1 jest WŁĄCZONY, przechodzi przez niego około 8.33A, ale kiedy jest wyłączony, ten prąd (mówiliśmy „praktycznie stały”) przechodzi przez D1. Można powiedzieć, że prąd w kondensatorze byłby . Potem w końcu okaże się, że prąd szczytowy w C1 musi być w porządku . Dość duży prąd! i rozproszyłby ... ale nie wygląda na rozproszenie mocy w ESR.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Jak ktoś powiedział, mogę również wziąć pod uwagę indukcyjność wewnętrzną czapki, ale myślę, że nie byłaby to przyczyną rozproszenia mocy (wiemy, że cewki gromadzą energię, ale nie zamieniają jej w ciepło) W każdym razie, pomimo powyższych obliczeń było bardzo uproszczone i może być nieco rozproszone, wciąż zastanawiam się, czy to wystarczy, aby się zagotowało i wybuchło!

Szczytowy prąd tętnienia dla C1 wynosi w przybliżeniu I (out) / D, gdzie D = cykl pracy. Jeśli powiedzmy, że cykl pracy wynosi 50% na wyjściu 30 V, tętnienie dla C1 wynosi 3,3 / 0,5 = 6,6 A. Gdy cykl pracy jest skrócony, pogarsza się. Jeżeli cykl pracy wynosił 10% = 0,1, wówczas szczyt prądu wynosi 33 A.

Jeśli następnie użyjesz swojej wartości ESR, rozproszona moc wynosi około 0,4 W, znacznie więcej niż wcześniej obliczono.

Jeśli spojrzę na kondensatory 160 V na Mouser ( zakładam , że używasz Al Electrolytics), to nie widzę ogólnie dostępnej nic, co mogłoby wytrzymać potrzebne prądy szczytowe.

Sugeruję, abyś użył Webench TI do opracowania projektu, a następnie spojrzenia na wybrane komponenty. Zauważysz, że w wielu projektach wykorzystują one bardzo niskie kondensatory ESR i często mają dwa lub nawet trzy równolegle. Na przykład często używają czapek polimerowych Panasonic w projektach i mają bardzo wysokie wartości prądu tętnienia przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Twoje kondensatory mogą mieć dość dużą indukcyjność wewnętrzną - zbyt dużą dla impulsów 100 kHz. Należy podłączyć kilka mniejszych nieelektrolitycznych kondensatorów równolegle z nimi, aż oscyloskop pokaże, że limity napięcia nie zostały przekroczone.

BTW. prąd pędzi jak impulsy z cewek, gdy tylko fety się wyłączają. Początek impulsu prądu jest bardzo ostry - tak ostry, jak szybko można wyłączyć fety. Jeśli częstotliwość przełączania wynosi 100 kHz, kondensatory naprawdę powinny poprawnie obsługiwać kilka MHz. UWAGA: opracowano elektrolity o niskiej indukcyjności do zastosowań SMPS, ale kosztują one prawdziwe pieniądze, a nie grosze jak zwykłe modele.

Późne dodanie: cała twoja moc wyjściowa jest najpierw przechowywana w kondensatorach - nie ma bezpośredniej drogi od wejścia do wyjścia. Jak zasugerowano w kilku innych komentarzach - samo rozproszenie kondensatorów może spowodować pewne wrzenie. Indukcyjność powoduje, że lokalizuje się ona bardziej na bliższych końcach rolki wewnętrznego talerza.

Stawiam na moc wytwarzaną przez tętnienia prądu. Twój kondensator ma trochę ESR. Prąd pulsacyjny twojej wielkości może dość łatwo opuścić tam jak dziesięć dwadzieścia watów. Więc ... Umieść kilka równolegle, z najniższą możliwą wartością 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 = 22uF * 11,3 Ω = 250us, f (mc) = 0,35 / Ts = 5,6 kHz, co jest najszybszą szybkością ładowania, jaką może obsłużyć i osiągnąć pełne napięcie ładowania.

Przełącznik f = 100 kHz zmienna PWM D, więc jako 100 kHz pojawi się jako rezystor stratny tylko przy 11,3 Ω ze stratami $Pc=I^2ESR$ a przy znamionowym prądzie tętnienia wynoszącym 92 mA urządzenie może obsłużyć jedynie 1,03 W przy maksymalnej temperaturze 105 ° C lub wzroście o 85 ° C powyżej temperatury pokojowej 20 ° C.

Teraz, aby wybrać czapkę 22uF, postępuj zgodnie z zaleceniem App Note i wybierz niską czapkę ESR, a nie elektrolityczny cel ogólnego zastosowania (GP e-cap)

Czego nie mówią w szkole (i wiele razy komentowałem na tej stronie) to że e-cap GP ma ESR * C> = 100 nas, podczas gdy niski ESR cap <10us i najlepszy przypadek <1us. Właśnie tego potrzebujesz, wybierając okres przełączania <10us.

Teraz nie jest trudno sortować bazy danych Digikey lub Mouser według ESR lub wyszukiwać w inny sposób ultra niską ESR. Możesz także przeczytać karty danych MSDS dotyczące e-kapsli na wypadek narażenia na działanie toksycznych materiałów, gdy wybuchną.

Uwaga dotycząca aplikacji zaleca, aby tego oczekiwać w ramach WYBORU INDUKTORA

Dobre oszacowanie dla tętnienia cewki indukcyjnej wynosi od 20% do 40% prądu wyjściowego.

E-Caps są oceniane na kilka sposobów. DF @ 120Hz (dla zastosowania prostownika mostka liniowego) maksymalny prąd tętnienia ESR (typ.) Nie starzeje się po 10 latach!

Ważne jest, aby pamiętać, że Caps są zwykle ładowane przez wyrzucanie impulsów prądu, a następnie rozładowywane powoli między impulsami, więc cykl pracy określa stosunek prądu szczytowego / średniego. Jeśli napięcie tętnienia wynosi 10%, wówczas stosunek prądu pk / avg wynosi 10/1. Jeżeli rozpraszanie energii jest rozpraszaniem mocy w każdym impulsie razy częstość powtarzania impulsu. Nie ma problemu, ponieważ 100 Hz i 1000x gorzej przy 100 kHz.

Stąd wynikiem niezrozumienia subtelnych rad w notatce z aplikacji ... jest chiński krakers.

Odnosi się do OP w komentarzach, które powinny były być kwestionowane

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Specyfikacje Cap
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Uwaga dotycząca aplikacji Boost Reg Design