Cosa sta facendo esplodere il condensatore del mio convertitore DC / DC?

Sto facendo esplodere alcuni condensatori e non sono sicuro di quale sia la causa. Sicuramente NON È SOVRATENSIONE E NON IN POLARIZZAZIONE ERRATA . Vorrei presentare lo scenario:

Ho progettato un convertitore Boost a doppia cascata usando questo schema:

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

Voglio intensificare una tensione di ingresso di 12V in una tensione di uscita di 100V . Il mio carico è 100Ω , quindi dissiperebbe 100W. Se non considero perdite (so di essere TROPPO idealista, calmarmi ), la sorgente di tensione in ingresso fornirà 8,33 A.

Possiamo dividere il circuito in due fasi, l'uscita del primo stadio è l'ingresso del secondo stadio. Ecco che arriva il mio problema:

C1 sta saltando in aria quando la tensione che attraversa raggiunge circa 30 V. C1 è valutato per 350 V ed è un condensatore elettrolitico 22uF (radiale) 10x12,5 mm. Sono assolutamente sicuro che la polarizzazione sia corretta.

La corrente di ingresso del secondo stadio dovrebbe (idealmente) essere intorno a 3,33 A (per mantenere i 100 W con 30 V per questo stadio). So che la corrente potrebbe essere più alta, ma è una buona approssimazione per questo scopo. La frequenza di commutazione è di 100 Khz .

Per qualche ragione il cappello esplode e non so davvero perché. Certo che in questo caso il tappo (morto) è caldo.

Potrebbe essere un effetto dell'ESR? Questo limite ha un fattore di dissipazione di 0,15 a 1kHz. Quindi (DF aumenterebbe anche per una frequenza più alta) per C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Poiché L2 è piuttosto grande, mi aspetto che C1 fornisca una corrente piuttosto costante pari alla corrente di ingresso della seconda stange (3,33 A), quindi la potenza dissipata in ESR dovrebbe essere intorno a:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

Questo può renderlo troppo caldo ed esplodere? Ne dubito....

Informazioni aggiuntive:

• L1 è circa 1mHy
• L2 è circa 2mHy
• D1 è un diodo schottky a 45 V.
• Ho provato due diversi condensatori: 160V 22uF che è saltato in aria, quindi ho provato 350V 22uF che è saltato in aria.
• Misurare la corrente nel cappuccio sarebbe difficile a causa del layout del PCB
• Sia il primo che il secondo MOSFET hanno una piccola rete RC snubber. Non credo che potrebbe causare problemi in C1.

Sto aspettando le tue idee!

EDIT n ° 1 = L1 è piuttosto grande, l'ondulazione è solo l'1% della corrente di ingresso nominale (diciamo 100 W / 12V = 8,33 A) quindi que può assumere che sia quasi come una corrente costante all'ingresso dello stadio 1. Per lo stadio 2 ondulazione corrente dell'induttore è inferiore al 5%, possiamo anche pensare che sia una corrente costante). Quando MOSFET 1 viene attivato, circa 8,33 A lo attraversano, ma quando viene spento, quella corrente (dicevamo "praticamente costante") passerebbe attraverso D1. Possiamo dire che la corrente nel condensatore sarebbe . Quindi scopriamo infine che la corrente di picco in C1 deve essere nell'ordine di . Praticamente attuale! e dissiperebbe ... ma non sembra dissipare tanta potenza .$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Come qualcuno ha detto, potrei anche considerare l'induttanza interna del tappo, ma penso che questa non sarebbe una causa di dissipazione di potenza (sappiamo che gli induttori immagazzinano energia ma non la trasformano in calore) Comunque, nonostante il calcolo sopra era molto semplificato e poteva dissipare un po 'più in alto la potenza, mi chiedo ancora se è abbastanza per farlo bollire ed esplodere!

La corrente di ripple di picco per C1 è approssimativamente I (fuori) / D dove D = duty cycle. Se il ciclo di funzionamento è pari al 50% all'uscita di 30 V, l'ondulazione per C1 è 3,3 / 0,5 = 6,6 A. Man mano che il ciclo di lavoro viene ridotto, questo peggiora. Se il duty cycle era del 10% = 0,1, il picco corrente è 33 A.

Se si utilizza quindi il valore ESR, la potenza dissipata è di circa 0,4 W, molto più elevata di quanto precedentemente calcolato.

Se guardo i condensatori da 160 V su Mouser ( suppongo che tu stia usando Al Electrolytics) allora non vedo nulla in genere disponibile che possa sostenere le correnti di picco necessarie.

Ti suggerirei di utilizzare Webench di TI per elaborare un progetto e quindi esaminare i componenti selezionati. Noterai su molti dei design che usano condensatori ESR molto bassi e spesso ne hanno due o addirittura tre in parallelo. Ad esempio usano spesso calotte polimeriche Panasonic nei design e hanno valori di corrente di ondulazione molto elevati a frequenze molto elevate.

I condensatori potrebbero avere un'induttanza interna abbastanza grande, troppo per impulsi di 100 kHz. È necessario collegare alcuni condensatori non elettrolitici più piccoli in parallelo con loro fino a quando l'oscilloscopio mostra che i limiti di tensione non vengono superati.

BTW. la corrente si precipita come impulsi dagli induttori non appena i feti si spengono. L'inizio dell'impulso corrente è molto acuto - forte come la velocità con cui i feti possono spegnersi. Se la frequenza di commutazione è 100 kHz, i condensatori dovrebbero davvero gestire correttamente diversi MHz. NOTA: vengono sviluppati elettroliti a bassa induttanza per applicazioni SMPS ma costano un po 'di denaro reale, non centesimi come i normali modelli.

Aggiunta tardiva: tutta la tua potenza di uscita viene inizialmente memorizzata nei condensatori - nessun modo diretto dall'ingresso all'uscita. Come suggerito in diversi altri commenti, la pura dissipazione nei condensatori può causare un po 'di ebollizione. L'induttanza lo induce a localizzarsi maggiormente alle estremità vicine del rullo della piastra interna.

Scommetto sul potere creato dalle correnti di ondulazione. Il tuo condensatore ha alcuni ESR. La corrente pulsata della tua grandezza può lasciarti abbastanza facilmente come una ventina di watt. Quindi ... Mettine molti in parallelo, con il minimo ESR / ESL possibile

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 (bw) = 0,35 / Ts = 5,6 kHz che è la velocità di carica più veloce che può gestire e raggiungere la piena tensione di carica.

f switch = 100kHz PWM variabile D, quindi come 100kHz apparirà come un resistore con perdita solo a 11,3 Ω con perdite di e una corrente di ripple nominale di 92 mA il dispositivo può gestire solo 1,03 W a una temperatura massima di 105 ° C o un aumento di 85 ° C sopra la temperatura ambiente 20 ° C.$Pc=I^2ESR$

Ora per scegliere un limite di 22uF, si desidera seguire la raccomandazione App Note e scegliere un limite di ESR basso e non un elettrolitico generico (GP e-cap)

Quello che non ti dicono a scuola (e ho commentato molte volte su questo sito) è che un e-cap GP ha un ESR * C> = 100 us mentre un limite ESR basso <10us e il caso migliore <1us. Questo è ciò di cui hai bisogno quando scegli un periodo di commutazione <10us.

Ora non è difficile ordinare i database Digikey o Mouser per ESR o cercare ESR ultra bassi in altri modi. Potresti anche leggere i fogli dati MSDS dei tappi elettronici per l'esposizione a materiali tossici quando esplodono.

L'App Note ti consiglia di aspettarti che in SELEZIONE INDUTTORE

Una buona stima per la corrente di ondulazione dell'induttore è dal 20% al 40% della corrente di uscita.

Gli E-Caps sono classificati in diversi modi. DF @ 120Hz (per raddrizzatore a ponte a linea piccola) Corrente di ripple massima (tip.) Non invecchiata dopo 10 anni!

È importante ricordare che i cappucci vengono solitamente caricati scaricando gli impulsi di corrente, quindi scaricati lentamente tra gli impulsi, quindi il ciclo di lavoro determina il rapporto tra corrente di picco / media. Se la tensione di ondulazione è del 10%, il rapporto corrente pk / media è 10/1. Se la dissipazione di energia è la dissipazione di potenza in ciascun impulso per la frequenza di ripetizione dell'impulso. Nessun problema in quanto 100Hz e 1000x peggio a 100kHz.

Quindi il risultato della mancata comprensione dei consigli impercettibili nella App Note ... è un petardo cinese.

Rif. Dall'OP nei commenti che avrebbero dovuto essere in questione

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Specifiche del cappuccio
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Nota sull'app Boost Reg Design