อะไรทำให้ตัวเก็บประจุของตัวแปลง DC / DC ของฉันระเบิด

ฉันมีตัวเก็บประจุเป่าขึ้นมาและฉันไม่แน่ใจว่าอะไรเป็นสาเหตุของเรื่องนี้ มันไม่แน่นอน Overvoltage และไม่ได้อยู่ในขั้วผิด ให้ฉันแนะนำสถานการณ์:

ฉันได้ออกแบบตัวแปลง Boost แบบเรียงซ้อนคู่โดยใช้ชุดรูปแบบนี้:

Vout สามารถหาได้จาก:โดยที่D_ \ maxเป็นวัฏจักรหน้าที่สูงสุด$\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$$D_ \max$

ฉันต้องการที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอินพุตของ 12Vเป็นแรงดันเอาต์พุต100V โหลดของฉันคือ100Ωดังนั้นมันจะกระจาย 100W หากฉันพิจารณาว่าไม่มีการสูญเสีย (ฉันรู้ว่าฉันเป็นนักอุดมคติในอุดมคติเกินไปสงบลง) แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะส่งมอบ8.33A

เราสามารถแบ่งวงจรออกเป็นสองขั้นตอน ouput ของระยะแรกคืออินพุตของระยะที่สอง นี่คือปัญหาของฉัน:

C1 จะระเบิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าถึงประมาณ 30V C1 ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 350V และเป็นตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 22uF (รัศมี) 10x12.5 มม. ฉันแน่ใจว่าโพลาไรซ์นั้นถูกต้องทั้งหมด

กระแสอินพุตของสเตจที่สองควรอยู่ในระดับ 3.33A (เพื่อรักษา 100W ด้วย 30V สำหรับสเตจนี้) ฉันรู้ว่ากระแสอาจสูงขึ้น แต่มันก็เป็นการประมาณที่ดีสำหรับจุดประสงค์นี้ ความถี่ในการเปลี่ยนเป็น100KHz

ด้วยเหตุผลบางอย่างหมวกก็ระเบิดขึ้นและฉันไม่รู้จริงๆว่าทำไม แน่นอนว่าเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นหมวก (ตาย) ร้อน

มันอาจจะเป็นผลกระทบของ ESR หรือไม่? ขีดสูงสุดนี้มี 0.15 Dissipation Factor ที่ 1kHz ดังนั้น (DF จะเพิ่มความถี่ที่สูงขึ้นด้วย) สำหรับ C1$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

เนื่องจาก L2 มีขนาดใหญ่มากฉันคาดว่า C1 จะส่งกระแสคงที่ที่ค่อนข้างเท่ากับกระแสอินพุตของ stange ที่สอง (3.33A) ดังนั้นกำลังงานที่กระจายใน ESR ควรอยู่ที่:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

สิ่งนี้ทำให้ร้อนเกินไปและระเบิดได้หรือไม่ ฉันสงสัยมัน....

ข้อมูลเพิ่มเติม:

• L1 ประมาณ 1mHy
• L2 ประมาณ 2mHy
• D1 เป็นไดโอด 45V schottky
• ฉันลองตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันสองตัว: 160V 22uF ที่เป่าขึ้นและจากนั้นฉันลอง 350V 22uF ที่เป่าขึ้นมาด้วย
• การวัดกระแสในหมวกอาจเป็นเรื่องยากเนื่องจากโครงร่าง PCB
• ทั้ง MOSFET ตัวแรกและตัวที่สองมีเครือข่าย RC snubber ขนาดเล็ก ฉันไม่คิดว่ามันจะทำให้เกิดปัญหาใด ๆ ใน C1

ฉันกำลังรอความคิดของคุณ!

แก้ไข n ° 1 = L1 ค่อนข้างใหญ่, ระลอกคลื่นเป็นเพียง 1% ของกระแสไฟเข้าที่จัดอันดับ (สมมติว่า 100W / 12V = 8.33A) ดังนั้น que สามารถสมมติได้ว่ามันเกือบเหมือนกระแสคงที่ที่อินพุตของสเตจ 1 สำหรับระยะที่ 2 ระลอกปัจจุบันเหนี่ยวนำน้อยกว่า 5% เรายังสามารถคิดว่ามันเป็นกระแสคงที่) เมื่อ MOSFET 1 เปิดใช้งานประมาณ 8.33A จะผ่านไป แต่เมื่อปิดแล้วกระแสนั้น (เราบอกว่า "คงที่ในทางปฏิบัติ") จะผ่าน D1 เราสามารถพูดได้ในปัจจุบันในตัวเก็บประจุจะ{L2} แล้วในที่สุดเราก็พบว่าปัจจุบันยอด C1 จะต้องอยู่ในคำสั่งของ5A สวยมากในปัจจุบัน! และมันจะกระจาย ... แต่ดูเหมือนว่าพลังงานจะไม่กระจายไปใน ESR$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

อย่างที่ใครบางคนบอกว่าฉันอาจจะพิจารณาการเหนี่ยวนำภายในของหมวก แต่ฉันคิดว่านี่จะไม่ใช่สาเหตุของการกระจายพลังงาน (เรารู้ว่าตัวเหนี่ยวนำเก็บพลังงาน แต่ไม่ทำให้เป็นความร้อน) อย่างไรก็ตามถึงการคำนวณข้างต้น เรียบง่ายมากและอาจเป็นพลังงานที่สูงขึ้นเล็กน้อยฉันยังสงสัยว่ามันเพียงพอแล้วที่จะทำให้มันเดือดและระเบิด!

ระลอกสูงสุดในปัจจุบันสำหรับ C1 คือประมาณ I (ออก) / D โดยที่ D = รอบการทำงาน หากรอบการทำงานบอกว่า 50% ที่เอาต์พุต 30 V ของคุณระลอกคลื่นสำหรับ C1 คือ 3.3 / 0.5 = 6.6 A. เมื่อรอบการทำงานลดลงสิ่งนี้จะแย่ลง หากรอบการทำงานเป็น 10% = 0.1 ดังนั้นค่าสูงสุดในปัจจุบันคือ 33 A

หากคุณใช้ค่า ESR ของคุณพลังงานที่กระจายไปจะอยู่ที่ประมาณ 0.4 W ซึ่งสูงกว่าที่คุณเคยคำนวณมาก่อน

ถ้าฉันดูตัวเก็บประจุ 160 V บนMouser (ฉันสมมติว่าคุณใช้อัลอิเล็กโทรไลติก) ฉันก็จะเห็นว่าไม่มีอะไรที่สามารถใช้งานได้โดยทั่วไปที่สามารถรักษากระแสสูงสุดที่คุณต้องการ

ฉันขอแนะนำให้คุณใช้Webenchของ TI เพื่อทำงานออกแบบและดูองค์ประกอบที่เลือก คุณจะสังเกตเห็นการออกแบบหลายอย่างที่พวกเขาใช้ตัวเก็บประจุ ESR ที่ต่ำมากและมักจะมีสองหรือสามแบบขนาน ตัวอย่างเช่นพวกเขาใช้แคปโพลีเมอร์ของพานาโซนิคบ่อยครั้งในการออกแบบและมีเรตติ้งกระแสระลอกสูงมากที่ความถี่สูง

ตัวเก็บประจุของคุณอาจมีการเหนี่ยวนำภายในที่ค่อนข้างใหญ่ - มากเกินไปสำหรับ 100 kHz พัลส์ คุณควรเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ขนาดเล็กลงพร้อมกันจนกว่าสโคปจะแสดงว่าเกินขีด จำกัด แรงดันไฟฟ้า

BTW กระแสน้ำจะไหลเป็นพัลส์จากตัวเหนี่ยวนำทันทีที่ฟิทช์ปิด จุดเริ่มต้นของพัลส์ในปัจจุบันนั้นคมมาก - และคมชัดเท่ากับความเร็วที่สามารถปิดได้ หากความถี่สวิตชิ่งเป็น 100 kHz ตัวเก็บประจุควรจัดการกับหลาย MHz อย่างถูกต้อง หมายเหตุ: อิเล็กโทรไลต์เหนี่ยวนำต่ำสำหรับแอปพลิเคชัน SMPS ได้รับการพัฒนา แต่ค่าใช้จ่ายเงินจริงบางส่วนไม่ได้เป็นเพนนีเหมือนรุ่นธรรมดา

ล่าช้า: พลังงานเอาต์พุตทั้งหมดของคุณถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุเป็นครั้งแรก - ไม่มีทางตรงจากอินพุตไปยังเอาต์พุต ตามที่แนะนำในความคิดเห็นอื่น ๆ - การกระจายตัวที่แท้จริงในตัวเก็บประจุของคุณอาจทำให้เดือด การเหนี่ยวนำทำให้เกิดการ จำกัด มากขึ้นที่ปลายด้านใกล้ของม้วนแผ่นด้านใน

ฉันเดิมพันกับพลังงานที่สร้างขึ้นโดยกระแสระลอก ตัวเก็บประจุของคุณมี ESR ขนาดกระแสพัลซิ่งของคุณอาจจะเหลือเพียงสิบวัตต์ได้ง่ายๆ ดังนั้น ... ใส่หลายขนานพร้อมกับ ESR / ESL ที่เป็นไปได้ต่ำสุด

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 ซึ่งเป็นอัตราการชาร์จที่เร็วที่สุดที่สามารถจัดการและเข้าถึงแรงดันไฟฟ้าที่ประจุเต็ม

f switch = ตัวแปร 100KHz PWM D ดังนั้นจะเท่ากับ 100kHz มันจะปรากฏเป็นตัวต้านทานการสูญเสียที่ 11.3 Ωโดยมีการสูญเสีย $Pc=I^2ESR$ และกระแสระลอกจัดอันดับของ 92mA อุปกรณ์สามารถจัดการ 1.03W ที่อุณหภูมิสูงสุด 105C หรือเพิ่มขึ้นของ 85C เหนืออุณหภูมิห้อง 20C

ตอนนี้เลือก cap ขนาด 22uF คุณต้องการทำตามคำแนะนำ App Note และเลือก cap ESR ต่ำและไม่ใช่ electrolytic วัตถุประสงค์ทั่วไป (GP e-cap)

สิ่งที่พวกเขาไม่ได้บอกคุณในโรงเรียน (และฉันได้แสดงความคิดเห็นหลายครั้งในเว็บไซต์นี้)คือ GP e-cap มี ESR * C> = 100 เราในขณะที่ ESR ต่ำ <10us และกรณีที่ดีที่สุด <1us นี่คือสิ่งที่คุณต้องการเมื่อเลือกช่วงเวลาสวิตช์ <10us

ตอนนี้มันไม่ยากที่จะจัดเรียงฐานข้อมูล Digikey หรือ Mouser ตาม ESR หรือค้นหาวิธีอื่นในการหา ESR ที่ต่ำมาก คุณอาจต้องการอ่านเอกสารข้อมูลความปลอดภัยของ e-caps สำหรับการสัมผัสกับสารพิษเมื่อระเบิด

บันทึกย่อของแอปแนะนำให้คุณคาดหวังภายใต้การคัดเลือก INDUCTOR

การประมาณที่ดีสำหรับกระแสเหนี่ยวนำระลอกคือ 20% ถึง 40% ของกระแสไฟขาออก

E-Caps ได้รับการจัดอันดับในหลายวิธี DF @ 120Hz (สำหรับการใช้งาน rectifier สะพานเส้นเล็ก) ESR ระลอกสูงสุดในปัจจุบัน (ประเภท.) อายุไม่เกิน 10 ปี!

เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้ว่าแคปมักจะถูกเรียกเก็บเงินโดยการทิ้งพัลส์ปัจจุบันจากนั้นปล่อยประจุออกมาอย่างช้าๆระหว่างพัลดังนั้นรอบการทำงานจะกำหนดอัตราส่วนของพีค / ค่าเฉลี่ยปัจจุบัน หากแรงกระเพื่อมของคลื่นเป็น 10% แสดงว่าอัตราส่วนกระแส pk / avg เท่ากับ 10/1 หากการกระจายพลังงานคือการกระจายพลังงานในแต่ละพัลส์คูณอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ ไม่มีปัญหาเช่น 100Hz และ 1000x ยิ่งแย่ที่ 100kHz

ดังนั้นผลที่ตามมาจากการไม่เข้าใจคำแนะนำที่ลึกซึ้งใน App Note ... นั้นเป็นเครื่องแครกเกอร์จีน

อ้างอิงจาก OP ในความคิดเห็นที่ควรมีในคำถาม

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf ข้อมูลจำเพาะ Cap
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf หมายเหตุการออกแบบแอป Boost Reg