Was bringt den Kondensator meines DC / DC-Wandlers zum Sprengen?

Ich habe einige Kondensatoren in die Luft gesprengt und bin mir nicht sicher, was die Ursache dafür ist. Es ist definitiv NICHT ÜBERSPANNUNG und NICHT IN FALSCHER POLARISIERUNG . Lassen Sie mich das Szenario vorstellen:

Ich habe einen doppelt kaskadierten Boost-Wandler nach diesem Schema entworfen:

Vout kann erhalten werden aus: wobei D_ \ max das maximale Tastverhältnis ist.$\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$$D_ \max$

Ich möchte eine Eingangsspannung von 12 V auf eine Ausgangsspannung von 100 V erhöhen . Meine Last beträgt 100 Ω , daher würden 100 W abgeführt. Wenn ich keine Verluste betrachte (ich weiß, dass ich ZU idealistisch bin, beruhige dich), liefert die Eingangsspannungsquelle 8,33 A.

Wir können die Schaltung in zwei Stufen aufteilen. Die Ausgabe der ersten Stufe ist der Eingang der zweiten Stufe. Hier kommt mein Problem:

C1 explodiert, wenn die Spannung ungefähr 30 V erreicht. C1 ist für 350 V ausgelegt und ist ein 22uF Elektrolytkondensator (radial) von 10 x 12,5 mm. Ich bin mir absolut sicher, dass die Polarisation stimmt.

Der Eingangsstrom der zweiten Stufe sollte (idealerweise) etwa 3,33 A betragen (um die 100 W bei 30 V für diese Stufe zu halten). Ich weiß, dass der Strom höher sein könnte, aber es ist eine gute Annäherung für diesen Zweck. Die Schaltfrequenz beträgt 100 kHz .

Aus irgendeinem Grund explodiert die Kappe und ich weiß nicht wirklich warum. In diesem Fall ist die Kappe (tot) natürlich heiß.

Kann es eine Auswirkung des ESR sein? Diese Kappe hat einen Verlustfaktor von 0,15 bei 1 kHz. So (DF würde auch für eine höhere Frequenz erhöhen) für C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Da L2 ziemlich groß ist, würde ich erwarten, dass C1 einen ziemlich konstanten Strom liefert, der dem Eingangsstrom des zweiten Bereichs (3,33 A) entspricht, so dass die in ESR verbrauchte Leistung ungefähr$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

Kann es dadurch zu heiß werden und explodieren? Ich bezweifle es....

Zusätzliche Information:

• L1 ist ungefähr 1mHy
• L2 ist ungefähr 2mHy
• D1 ist eine schottky 45V Diode
• Ich habe zwei verschiedene Kondensatoren ausprobiert: 160V 22uF, die explodierten, und dann die 350V 22uF, die ebenfalls explodierten.
• Das Messen des Stroms in der Kappe wäre aufgrund des Leiterplattenlayouts schwierig
• Sowohl der erste als auch der zweite MOSFET haben ein kleines Snubber-RC-Netzwerk. Ich glaube nicht, dass es in C1 Probleme geben könnte.

Ich warte auf Ihre Ideen!

EDIT n ° 1 = L1 ist ziemlich groß, die Welligkeit beträgt nur 1% des Nenn-Eingangsstroms (sagen wir 100 W / 12 V = 8,33 A), sodass que davon ausgehen kann, dass es fast wie ein konstanter Strom am Eingang von Stufe 1 ist. Für Stufe 2 Die Welligkeit des Induktorstroms beträgt weniger als 5%. Wir können auch annehmen, dass es sich um einen konstanten Strom handelt. Wenn MOSFET 1 eingeschaltet wird, werden ungefähr 8,33 A durchlaufen, aber wenn es ausgeschaltet wird, würde dieser Strom (wir sagten "praktisch konstant") durch D1 fließen. Wir können sagen, dass der Strom im Kondensator . Dann stellen wir schließlich fest, dass der Spitzenstrom in C1 in der Größenordnung von . Ziemlich aktuell! und es würde ... aber es sieht nicht so viel Verlustleistung im ESR aus.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Wie jemand sagte, könnte ich auch die interne Induktivität der Kappe berücksichtigen, aber ich denke, dies wäre keine Ursache für die Verlustleistung (wir wissen, dass Induktoren Energie speichern, aber nicht in Wärme umwandeln), trotz der obigen Berechnung war sehr vereinfacht und es könnte ein wenig mehr Verlustleistung sein, ich frage mich immer noch, ob es ausreicht, um es zum Kochen zu bringen und zu explodieren!

Der Spitzenwelligkeitsstrom für C1 beträgt ungefähr I (out) / D, wobei D = Arbeitszyklus ist. Wenn der Arbeitszyklus an Ihrem 30-V-Ausgang 50% beträgt, beträgt die Welligkeit für C1 3,3 / 0,5 = 6,6 A. Wenn der Arbeitszyklus verringert wird, wird dies schlechter. Wenn das Tastverhältnis 10% = 0,1 betrug, beträgt die Stromspitze 33 A.

Wenn Sie dann Ihren ESR-Wert verwenden, beträgt die Verlustleistung etwa 0,4 W und ist damit viel höher als zuvor berechnet.

Wenn ich mir 160-V-Kondensatoren am Mouser ansehe (ich gehe davon aus, dass Sie Al Electrolytics verwenden), sehe ich nichts allgemein verfügbares , das die von Ihnen benötigten Spitzenströme aufrechterhalten könnte.

Ich würde vorschlagen, dass Sie die Webench von TI verwenden , um ein Design zu bearbeiten und dann die ausgewählten Komponenten zu betrachten. Sie werden feststellen, dass bei vielen Designs Kondensatoren mit sehr niedrigem ESR verwendet werden und häufig zwei oder sogar drei parallel geschaltet sind. Zum Beispiel verwenden sie häufig Panasonic- Polymerkappen in den Konstruktionen und sie haben sehr hohe Welligkeitsstromwerte bei sehr hohen Frequenzen.

Ihre Kondensatoren haben möglicherweise eine ziemlich große interne Induktivität - zu viel für 100-kHz-Impulse. Sie sollten einige kleinere nichtelektrolytische Kondensatoren parallel dazu anschließen, bis das Oszilloskop anzeigt, dass die Spannungsgrenzen nicht überschritten werden.

Übrigens. Der Strom fließt als Impulse von den Induktoren, sobald sich die Fets ausschalten. Der Beginn des Stromimpulses ist sehr scharf - so scharf wie schnell sich die Fets ausschalten können. Wenn die Schaltfrequenz 100 kHz beträgt, sollten die Kondensatoren wirklich mehrere MHz richtig handhaben. HINWEIS: Elektrolyte mit niedriger Induktivität für SMPS-Anwendungen werden entwickelt, kosten jedoch echtes Geld und nicht ein paar Cent wie die normalen Modelle.

Späte Hinzufügung: Ihre gesamte Ausgangsleistung wird zunächst in den Kondensatoren gespeichert - kein direkter Weg vom Eingang zum Ausgang. Wie in mehreren anderen Kommentaren vorgeschlagen, kann die bloße Verlustleistung in Ihren Kondensatoren zu einem gewissen Siedepunkt führen. Die Induktivität bewirkt, dass sie sich an den nahen Enden der inneren Plattenrolle stärker lokalisiert.

Ich wette auf Leistung, die durch Welligkeitsströme erzeugt wird. Ihr Kondensator hat etwas ESR. Gepulster Strom Ihrer Größenordnung kann dort leicht wie zehnundzwanzig Watt abfließen. Also ... mehrere parallel schalten, mit möglichst geringem 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 uF * 11,3 Ω = 250 us, f (bw) = 0,35 / Ts = 5,6 kHz. Dies ist die schnellste Laderate, die es verarbeiten und die volle Ladespannung erreichen kann.

f Schalter = 100 kHz PWM-Variable D, daher erscheint es als 100 kHz nur bei 11,3 Ω als verlustbehafteter Widerstand mit Verlusten von und einem Nennwelligkeitsstrom von 92 mA. Das Gerät kann nur 1,03 W bei einer maximalen Temperatur von 105 ° C oder a verarbeiten Anstieg von 85 ° C über Raumtemperatur 20 ° C.$Pc=I^2ESR$

Um nun eine 22uF-Kappe zu wählen, möchten Sie der App Note-Empfehlung folgen und eine Kappe mit niedrigem ESR und keine Allzweckelektrolyse (GP e-Kappe) wählen.

Was sie dir in der Schule nicht sagen (und ich habe es auf dieser Seite oft kommentiert) ist, dass eine GP-E-Kappe einen ESR * C> = 100 us hat, während ein niedriger ESR-Cap <10us und der beste Fall <1us ist. Dies ist erforderlich, wenn Sie eine Schaltperiode <10us auswählen.

Jetzt ist es nicht schwer, Digikey- oder Mouser-Datenbanken nach ESR zu sortieren oder auf andere Weise nach extrem niedrigem ESR zu suchen. Möglicherweise möchten Sie auch die Sicherheitsdatenblätter der E-Caps lesen, um zu erfahren, ob sie beim Sprengen toxischen Stoffen ausgesetzt sind.

Der App Note rät Ihnen, dies unter INDUCTOR SELECTION zu erwarten

Eine gute Schätzung für den Welligkeitsstrom des Induktors beträgt 20% bis 40% des Ausgangsstroms.

E-Caps werden auf verschiedene Arten bewertet. DF @ 120Hz (für kleine Brückengleichrichter) Maximaler Welligkeitsstrom ESR (typ.) Nicht nach 10 Jahren gealtert!

Es ist wichtig zu beachten, dass Kappen normalerweise durch Ablassen von Stromimpulsen aufgeladen werden und dann langsam zwischen den Impulsen entladen werden, sodass das Tastverhältnis das Verhältnis von Spitzen- / Durchschnittsstrom bestimmt. Wenn die Welligkeitsspannung 10% beträgt, beträgt das pk / avg-Stromverhältnis 10/1. Wenn die Energiedissipation die Verlustleistung in jedem Impuls multipliziert mit der Impulswiederholungsrate ist. Kein Problem, da 100Hz und 1000x schlechter bei 100kHz sind.

Daher ist das Ergebnis des Nichtverständnisses subtiler Ratschläge in der App Note ... ein chinesischer Feuerwerkskörper.

Verweise von OP in Kommentaren, die in Frage gestellt werden sollten

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Cap-Spezifikationen
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Boost Reg Design App Hinweis