O que está fazendo o capacitor do meu conversor DC / DC explodir?

Estou com alguns capacitores explodidos e não sei ao certo qual é a causa disso. Definitivamente, NÃO É SOBRETENSÃO E NÃO ESTÁ EM POLARIZAÇÃO ERRADA . Deixe-me apresentar o cenário:

Eu projetei um conversor Boost em cascata dupla usando este esquema:

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

Quero intensificar uma tensão de entrada de 12V em uma tensão de saída de 100V . Minha carga é de 100Ω , portanto estaria dissipando 100W. Se eu não considerar perdas (sei que estou sendo idealista demais, acalme-se), a fonte de tensão de entrada fornecerá 8.33A

Podemos dividir o circuito em dois estágios, a saída do primeiro estágio é a entrada do segundo estágio. Aqui vem o meu problema:

C1 está explodindo quando a tensão atinge aproximadamente 30V. O C1 é classificado para 350V e é um capacitor eletrolítico de 22uF (radial) 10x12,5mm. Estou totalmente certo de que a polarização está correta.

A corrente de entrada do segundo estágio deve (idealmente) ser de cerca de 3,33A (para manter os 100W com 30V neste estágio). Eu sei que a corrente pode ser maior, mas é uma boa aproximação para esse fim. A frequência de comutação é 100Khz .

Por alguma razão, o boné explode e eu realmente não sei o porquê. Claro que, quando isso acontece, a tampa (morta) fica quente.

Pode ser um efeito da ESR? Esta tampa possui um fator de dissipação de 0,15 a 1kHz. Então (o DF também aumentaria para uma frequência mais alta) para C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Como L2 é bastante grande, eu esperaria que C1 fornecesse uma corrente bastante constante igual à corrente de entrada do segundo estranho (3,33A), de modo que a energia dissipada na ESR deveria estar em torno de:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

Isso pode torná-lo muito quente e explodir? Eu duvido....

Informação adicional:

• L1 é de cerca de 1mHy
• L2 é de cerca de 2mHy
• D1 é um diodo schottky de 45V
• Tentei dois capacitores diferentes: 160V 22uF que explodiram e depois tentei o 350V 22uF que também explodiu.
• Medir a corrente no limite seria difícil devido ao layout da placa de circuito impresso
• Tanto o primeiro quanto o segundo MOSFET possuem uma pequena rede RC de amortecedor. Eu não acho que poderia causar qualquer problema em C1.

Estou esperando suas idéias!

EDIT n ° 1 = L1 é bastante grande, a ondulação é apenas 1% da corrente de entrada nominal (digamos 100W / 12V = 8,33A), de modo que podemos assumir que é quase como uma corrente constante na entrada do estágio 1. Para o estágio 2 ondulação de corrente do indutor é inferior a 5%, também podemos pensar que é uma corrente constante). Quando o MOSFET 1 é LIGADO, cerca de 8.33A passa por ele, mas quando é desligado, essa corrente (dissemos "praticamente constante") passaria pelo D1. Podemos dizer que a corrente no capacitor seria . Finalmente, descobrimos que o pico de corrente em C1 deve estar na ordem de . Praticamente atual! e dissiparia ... mas parece que não há tanta energia dissipada no ESR.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Como alguém disse, eu também poderia considerar a indutância interna da tampa, mas acho que isso não seria uma causa de dissipação de energia (sabemos que os indutores armazenam energia, mas não transformam em calor) De qualquer forma, apesar do cálculo acima foi muito simplificado e pode ter um pouco mais de potência dissipada, ainda me pergunto se é o suficiente para fazê-lo ferver e explodir!

A corrente de pico de ondulação para C1 é de aproximadamente I (saída) / D, onde D = ciclo de serviço. Se o ciclo de serviço é de 50% na sua saída de 30 V, a ondulação para C1 é de 3,3 / 0,5 = 6,6 A. Como o ciclo de trabalho é reduzido, isso piora. Se o ciclo de trabalho foi de 10% = 0,1, o pico atual é de 33 A.

Se você usar seu valor de ESR, a energia dissipada será de cerca de 0,4 W, muito maior do que o calculado anteriormente.

Se eu olhar os capacitores de 160 V na Mouser (suponho que você esteja usando a Al Electrolytics), não vejo nada disponível em geral que possa sustentar as correntes de pico necessárias.

Eu sugiro que você use o Webench da TI para trabalhar com um design e depois olhar para os componentes selecionados. Você notará em muitos dos projetos que eles usam capacitores ESR muito baixos e geralmente têm dois ou até três em paralelo. Por exemplo, eles usam frequentemente tampas de polímero da Panasonic nos projetos e têm classificações de corrente de ondulação muito altas em frequências muito altas.

Seus capacitores podem ter uma indutância interna bastante grande - demais para pulsos de 100 kHz. Você deve conectar alguns capacitores não eletrolíticos menores em paralelo com eles até o osciloscópio mostrar que os limites de tensão não são excedidos.

Entre. a corrente corre como pulsos dos indutores assim que os vasos são desligados. O início do pulso atual é muito nítido - tão nítido quanto a rapidez com que os animais podem desligar. Se a frequência de comutação for de 100 kHz, os capacitores realmente devem lidar com vários MHz corretamente. OBSERVAÇÃO: eletrólitos de baixa indutância para aplicações SMPS são desenvolvidos, mas custam dinheiro real, não centavos como os modelos comuns.

Adição tardia: toda a sua potência de saída é inicialmente armazenada nos capacitores - sem saída direta da entrada para a saída. Como sugerido em vários outros comentários - a pura dissipação em seus capacitores pode causar fervura. A indutância faz com que ele se localize mais nas extremidades próximas do rolo interno da placa.

Aposto no poder criado pelas correntes de ondulação. Seu capacitor possui um ESR. Correntes pulsadas de sua magnitude podem deixar lá como dez a vinte watts com bastante facilidade. Então ... Coloque vários em paralelo, com o menor ESR / ESL possível

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 = 5,6kHz, que é a taxa mais rápida de carregamento que ele pode suportar e atingir a tensão de carga total.

f switch = variável PWM de 100kHz D, portanto, como 100kHz, ele aparecerá como um resistor com perdas apenas em 11,3 Ω com perdas de e uma corrente de ondulação nominal de 92mA. aumento de 85C acima da temperatura ambiente 20C.$Pc=I^2ESR$

Agora, para escolher um limite de 22uF, você deseja seguir a recomendação do App Note e escolher um limite baixo de VHS e não um eletrolítico de uso geral (GP e-cap)

O que eles não dizem na escola (e eu já comentei várias vezes neste site) é que um tampão eletrônico para GP tem uma VHS * C> = 100 nós, enquanto um limite baixo de VHS <10us e o melhor caso <1us. É isso que você precisa ao escolher um período de troca <10us.

Agora não é difícil classificar os bancos de dados Digikey ou Mouser por ESR ou procurar de outras maneiras por ESR ultra baixo. Você também pode ler as folhas de dados MSDS das tampas eletrônicas para exposição a materiais tóxicos quando explodirem.

A Nota de Aplicação recomenda que, em SELEÇÃO DO INDUTOR, você espere

Uma boa estimativa para a corrente de ondulação do indutor é de 20% a 40% da corrente de saída.

Os E-Caps são classificados de várias maneiras. DF @ 120Hz (para uso de retificador em ponte de linha pequena) corrente máxima de ondulação ESR (tip.) Não envelhecida após 10 anos!

É importante lembrar que as tampas geralmente são carregadas descarregando os pulsos da corrente e depois descarregadas lentamente entre os pulsos, para que o ciclo de trabalho determine a razão entre a corrente de pico / média. Se a tensão de ondulação for 10%, a taxa de corrente pk / média é 10/1. Se a dissipação de energia é a dissipação de energia em cada pulso multiplicado pela taxa de repetição do pulso. Não há problema como 100Hz e 1000x pior a 100kHz.

Portanto, o resultado de não entender conselhos sutis na Nota de Aplicação ... é um fogo de artifício chinês.

Referências do OP nos comentários que deveriam estar na pergunta

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Especificações de limite
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Nota do aplicativo Boost Reg Design