Из-за чего взрывается конденсатор моего преобразователя постоянного тока в постоянный?

У меня вздулись конденсаторы, и я не уверен, в чем причина этого. Это определенно НЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ и НЕ НЕПРАВИЛЬНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ . Позвольте мне представить сценарий:

Я разработал двойной каскадный повышающий преобразователь, используя эту схему:

Каскадный повышающий преобразователь

Vout можно получить из:   В о ты т знак равно В я н / ( 1 − Д Максимум ) 2 куда Д Максимум это максимальный рабочий цикл.

Я хочу увеличить входное напряжение 12 В до выходного напряжения 100 В. Моя нагрузка составляет 100 Ом , следовательно, она будет рассеивать 100 Вт. Если не считать потерь (знаю, что я СЛИШКОМ идеалист, успокойтесь), источник входного напряжения выдаст 8,33 А.

Мы можем разделить схему на два этапа, выход первого этапа является входом второго этапа. Вот моя проблема:

С1 перегорает, когда напряжение на нем достигает примерно 30В. C1 рассчитан на 350 В и представляет собой электролитический конденсатор 22 мкФ (радиальный) 10x12,5 мм. Я полностью уверен, что поляризация правильная.

Входной ток второго каскада должен (в идеале) составлять около 3,33 А (чтобы сохранить 100 Вт при 30 В для этого каскада). Я знаю, что ток может быть выше, но это хорошее приближение для этой цели. Частота переключения 100 кГц .

По какой-то причине крышка взрывается, и я действительно не знаю, почему. Конечно, когда это происходит, крышка (мертвая) горячая.

Может ли это быть следствием СОЭ? Этот конденсатор имеет коэффициент рассеяния 0,15 на частоте 1 кГц. | Икс с | знак равно 1 / ( 2 * п я * 100 К час г * 22 ты Ф ) знак равно 0,07234 Ом
Так Е С р знак равно 0,15 * 0,07234 знак равно 0,01 Ом (DF также будет увеличиваться для более высокой частоты) для C1.

Поскольку L2 довольно большой, я ожидаю, что C1 будет обеспечивать довольно постоянный ток, равный входному току второго каскада (3,33 А), поэтому мощность, рассеиваемая в ESR, должна быть около: 3,33 А 2 * 0,01 Ом знак равно 0,11 Вт

Может ли это сделать его слишком горячим и взорваться? Я сомневаюсь в этом....

Дополнительная информация:

  • L1 составляет около 1 мГн
  • L2 составляет около 2 мГн
  • D1 — диод Шоттки на 45 В.
  • Я попробовал два разных конденсатора: 160В 22мкФ, которые взорвались, а затем я попробовал 350В 22мкФ, которые также взорвались.
  • Измерение тока в крышке будет затруднено из-за разводки печатной платы.
  • И первый, и второй MOSFET имеют небольшую RC-цепь снаббера. Я не думаю, что это может вызвать какие-либо проблемы в C1.

Жду ваших идей!

РЕДАКТИРОВАТЬ № 1 = L1 довольно большой, пульсации составляют всего 1% от номинального входного тока (скажем, 100 Вт / 12 В = 8,33 А), поэтому можно предположить, что это почти как постоянный ток на входе этапа 1. Для этапа 2 пульсация тока индуктора составляет менее 5%, мы также можем думать, что это постоянный ток). Когда MOSFET 1 включен, через него проходит около 8,33 А, но когда он выключен, этот ток (мы сказали «практически постоянный») будет проходить через D1. Мы можем сказать, что ток в конденсаторе будет я Д 1 − я л 2 . Затем мы, наконец, находим, что пиковый ток в C1 должен быть порядка 8,33 А − 3,33 А знак равно 5 А . Довольно актуально! и это рассеялось бы 5 А 2 * 0,01 Ом знак равно 0,25 Вт ... но выглядит не так много мощности, рассеиваемой в ESR.

Как кто-то сказал, я мог бы также учитывать внутреннюю индуктивность колпачка, но я думаю, что это не будет причиной рассеивания мощности (мы знаем, что катушки индуктивности накапливают энергию, но не превращают ее в тепло). В любом случае, несмотря на приведенный выше расчет. был очень упрощен, и он мог бы рассеивать немного большую мощность, мне все еще интересно, достаточно ли этого, чтобы заставить его закипеть и взорваться!

Как выглядят ваши волны?
Напряжение на конденсаторе измеряли осциллографом? Бьюсь об заклад, вы получаете большие скачки напряжения из-за катушек индуктивности, которые вы не можете увидеть с помощью обычного измерителя.
@W5VO ты опередил меня на 20 секунд =P
Что ж, поскольку у вас есть абсолютное доказательство того, что дело не в напряжении или полярности, остается только пульсирующий ток.
@ DerStrom8 Я измерил конденсатор с помощью осциллографа. У меня нет фотографий, потому что это был аналоговый прицел (у меня не хватает рук!), но на первый взгляд напряжение казалось довольно постоянным. Кстати, насколько большим может быть этот шип в этой топологии? Я думаю, что конденсатор будет «накладывать» напряжение на катушку индуктивности, когда МОП-транзистор № 2 включен. Если нет, я ожидаю, что D1 будет уничтожен намного раньше, чем крышка, потому что он сопротивляется только 45 В против 350 В конденсатора ....
@gbarry Если вы имеете в виду тот же пульсирующий ток, который проходит через L2, то он составляет всего 10% от номинального тока (0,1 * 3,33 А = 0,33 А), который рассеивает очень низкую мощность на реактивном сопротивлении ESR + C1 (где еще?. ..) Надеюсь, я ошибаюсь, а вы правы...
Примерно вы превращаете 10В в 100В (с диодными и другими потерями). (1-D)^2=0,1 => D=0,68. Период разряда L1 составляет (1-D)=0,32, поэтому ток через D1 к C1 меняется от 0 А до 3,3/0,32 = 10 А. Я посмотрел номинальный пульсирующий ток типичного алюминиевого конденсатора 22 мкФ 350 В, он составляет 0,35 А.
Каково отношение тока пульсации к номинальному значению? 50%? 150%?
Когда вы выбираете конденсатор на 350 В вместо 50 В, вы получаете низкую емкость, высокое ESR и низкий уровень пульсаций. Смоделируйте/рассчитайте его, и вы увидите, какой рейтинг вам нужен. Кроме того, в чем причина двухэтапного подхода?
Какова общая эффективность вашего каскадного повышающего преобразователя постоянного тока? Если он не соответствует вашим ожиданиям, вы тратите энергию в кепках и нагреваете их.
Ссылка на таблицу данных для C1. Нам нужно видеть мелкий шрифт.
Как быстро взрываются конденсаторы? При чем тут временная шкала? Миллисекунды, секунды, минуты, часы или дни?
@rioraxe Часть этого тока пойдет на нагрузку (этап 2), а входное напряжение составляет 12 В (падает с 12,7 В до 12,2 ~ 12,0 В при 8 А). Итак, D составляет 0,653. Это приводит к 34,6 В на входе каскада 2 и входному току 100 Вт/34,6 В = 2,89 А. Тогда выходной ток ступени 1 должен быть 2,89 А/(1-0,653) = 8,33 А. Это означает, что крышка будет поглощать только 8,33 - 2,89 А = 5,44 А (почти половина указанного вами тока). Я не уверен в том, как вы достигли этого значения (10А), но мне будет приятно узнать вашу точку зрения более подробно (я тоже не уверен в своих утверждениях) Спасибо! (См. мое редактирование № 1)
@TonyStewart.EEsince'75 Ток пульсаций в L1 должен составлять около 1% в соответствии с (Vin x Dmax)/(Fs x L1 x Iin) (уравнение 18 из этого отчета о применении )
@winny Мне понадобится рабочий цикл 88%, чтобы увеличить это напряжение на одну ступень. Этот каскадный повышающий преобразователь является прототипом повышающего преобразователя, который будет повышать напряжение с 24 В до 350 В; Одноступенчатому преобразователю потребуется рабочий цикл 93%, что довольно много. Поэтому я решил сделать его каскадным, чтобы добавить немного «облегчения».
@Autistic Я еще не измерял эффективность, потому что не достиг цели на выходе 100 В! В любом случае, если цоколь вызывает, допустим, потерю 2 Вт, это будет не критическая потеря эффективности, НО большая мощность для маленького цоколя....
@BrianDrummond Это был маленький мальчик 226CKE160MLN
Вы, кажется, дали это, хотя это хорошо, и мое мнение здесь немного не по теме, но 88% не так уж плохо. Трансформатор тоже можно рассмотреть.
@KenshinARG Я только что округлил число до 10-кратного ввода-вывода, тем не менее это ближе к реальности, чем при условии 100% эффективности, как в вашем расчете. Что касается пульсирующего тока, который попеременно приходит от 0А до 10А, выходя в среднем до 3,3А. Вы можете сделать это, 0А - 3,3А против 10А - 3,3А, текущий шаг по-прежнему 10А.
Кстати, ваш расчет был сосредоточен на режиме отказа из-за пульсирующего тока, который является средним нагревом из-за ESR, оцененного по спецификации. Учитывая, что ток пульсаций далеко не соответствует спецификации, допустима ли спецификация ESR? Является ли средний нагрев режимом отказа? Я не знаю, но я бы тоже не стал предполагать, что пульсирующий ток в 20 или более раз превышает номинальный предел.
@KenshinARG, вы имеете в виду тот, у которого пульсирующий ток составляет 92 мА на странице 4 этого технического описания?
@rioraxe Я почти уверен, что проблема с нагревом возникает из-за ESR. В любом случае, ток пульсаций ниже 83 мА (это гарантирует L1), средний ток высокий, ток пульсаций - нет. Кроме того, значение в таблице данных рассчитано на 120 Гц, значение уменьшается с частотой до собственной резонансной частоты, а затем увеличивается из-за ESL. Не стоит использовать эти значения для частоты 100 кГц. Мне понадобится ESL, чтобы сделать хороший расчет реального коэффициента рассеяния на частоте 100 кГц, но его нет в таблице данных. Но повторюсь: должно быть ESR, завтра проверю схему с керамическими колпачками.
@BrianDrummond точно, эта уродливая дешевка...

Ответы (5)

Пиковый ток пульсаций для C1 приблизительно равен I(out)/D, где D= рабочий цикл. Если рабочий цикл составляет, скажем, 50% при вашем выходе 30 В, тогда пульсации для C1 составляют 3,3 / 0,5 = 6,6 А. По мере уменьшения рабочего цикла это ухудшается. Если рабочий цикл был 10% = 0,1, то пик тока составляет 33 А.

Если вы затем используете значение ESR, рассеиваемая мощность составит около 0,4 Вт, что намного выше, чем вы рассчитали ранее.

Если я смотрю на конденсаторы на 160 В на Mouser (я предполагаю, что вы используете Al Electrolytics), то я не вижу ничего общедоступного , что могло бы выдержать нужные вам пиковые токи.

Я бы посоветовал вам использовать TI Webench для проработки дизайна, а затем посмотреть на выбранные компоненты. Вы заметите, что во многих конструкциях они используют конденсаторы с очень низким ESR и часто имеют два или даже три параллельных конденсатора. Например, в конструкции часто используются полимерные колпачки Panasonic , и они имеют очень высокие номинальные значения пульсаций тока на очень высоких частотах.

Привет, Джек, пожалуйста, ознакомься с моим РЕДАКТИРОВАТЬ № 1. Мы немного отличаемся в наших расчетах, но стремимся к одному и тому же. Кстати, вы сказали: « По мере уменьшения рабочего цикла ситуация ухудшается », но ваша формула выше говорит об обратном.
Ваше право...... Это просто D в приближении, а не 1-D.

Ставлю на мощность, создаваемую пульсирующими токами. У вашего конденсатора есть некоторое ESR. Импульсный ток вашей величины вполне может оставить там десять-двадцать ватт. Итак... Поставьте несколько параллельно, с минимально возможным ESR/ESL

Теперь я планирую использовать несколько параллельных полиэфирных пленочных конденсаторов, я думаю, что они имеют более низкое ESR и могут выдерживать нужное мне напряжение, избегая десятков керамических конденсаторов. Как вы думаете?
Я не понимаю, почему вы избегаете керамики. Однажды я использовал набор из 100 керамических колпачков, все было идеально. Другое приложение, но все же..
Кстати, самое лучшее в SMT-керамических колпачках то, что их можно складывать даже в четыре слоя.
Просто из-за стоимости и размера (массива) эта конструкция является прототипом более крупного преобразователя. Мне нужно было бы слишком много. Я закончу тем, что сделаю это, если не смогу заставить это работать с полиэфирными!
Моя стратегия обычно состоит в том, чтобы выбрать лучший вариант производительности и оптимизировать его на следующем этапе. На вашем месте я бы начал с керамики, а то и с обоих вариантов.

Ваши конденсаторы могут иметь довольно большую внутреннюю индуктивность - слишком много для импульсов 100 кГц. Параллельно им следует подключить несколько неэлектролитических конденсаторов меньшего размера, пока осциллограф не покажет, что пределы напряжения не превышены.

КСТАТИ. ток устремляется в виде импульсов от катушек индуктивности, как только выключаются полевые транзисторы. Начало импульса тока очень резкое — настолько резкое, насколько быстро могут выключаться полевые транзисторы. Если частота переключения составляет 100 кГц, конденсаторы действительно должны правильно обрабатывать несколько МГц. ПРИМЕЧАНИЕ. Разработаны электролиты с низкой индуктивностью для приложений SMPS, но они стоят реальных денег, а не копеек, как обычные модели.

Позднее добавление: вся ваша выходная мощность сначала хранится в конденсаторах - прямого пути от входа к выходу нет. Как было предложено в нескольких других комментариях, простое рассеивание в ваших конденсаторах может вызвать некоторое кипение. Индуктивность заставляет его локализоваться больше на ближних концах внутреннего рулона пластин.

Хорошее наблюдение. Может ли внутренняя индуктивность быть причиной нагрева? Теоретически не должно...
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 мкФ * 11,3 Ом = 250 мкс, f (bw) = 0,35 / Ts = 5,6 кГц, что является максимальной скоростью зарядки, которую он может выдержать, и достичь полного напряжения заряда.

f переключатель = 100 кГц ШИМ-переменная D, поэтому при 100 кГц он будет отображаться как резистор с потерями только при 11,3 Ом с потерями п с знак равно я 2 Е С р и при номинальном пульсирующем токе 92 мА устройство может выдерживать только 1,03 Вт при максимальной температуре 105 ° C или повышении температуры на 85 ° C выше комнатной температуры 20 ° C.

Теперь, чтобы выбрать конденсатор 22 мкФ, вы должны следовать рекомендации App Note и выбрать конденсатор с низким ESR, а не электролитический конденсатор общего назначения (электронная крышка GP).

Чего вам не говорят в школе (и я много раз комментировал на этом сайте) , так это того, что электронная крышка GP имеет ESR * C> = 100 мкс, в то время как кепка с низким ESR < 10 мкс и в лучшем случае < 1 мкс. Это то, что вам нужно при выборе периода переключения < 10 мкс.

Теперь несложно отсортировать базы данных Digikey или Mouser по ESR или найти другими способами сверхнизкое ESR. Вы также можете прочитать таблицы данных MSDS для электронных крышек на предмет воздействия токсичных материалов, когда они взрываются.

В примечании к приложению рекомендуется ожидать, что в разделе «ВЫБОР ИНДУКТОРА»

Хорошая оценка тока пульсаций дросселя составляет от 20% до 40% выходного тока.

E-Caps оцениваются несколькими способами. DF при 120 Гц (для использования в мостовом выпрямителе малой мощности) максимальный ток пульсаций ESR (тип.) не состаривается через 10 лет!

Важно помнить, что конденсаторы обычно заряжаются путем сброса импульсов тока, а затем медленно разряжаются между импульсами, поэтому рабочий цикл определяет отношение пикового тока к среднему. Если пульсация напряжения составляет 10 %, то отношение пикового тока к среднему току составляет 10/1. Если рассеивание энергии - это рассеивание мощности в каждом импульсе, умноженное на частоту повторения импульсов. Нет проблем, так как 100 Гц и в 1000 раз хуже на 100 кГц.

Следовательно, результат непонимания тонкого совета в примечании к приложению ... - это китайская фейерверк.

Ссылки из OP в комментариях, которые должны были быть под вопросом

С этой частотой я должен был выбрать конденсатор с низким ESR, мой плохой. Мне нравится ваша точка зрения с точки зрения постоянной времени, но я боюсь сказать, что ESR уменьшается с частотой. Этот график от Murata показывает зависимость кривой ESR от частоты. Я не учитывал ESL (у меня его нет), но если использовать такой способ оценки ESR, то на 120 Гц получится 9 Ом. Я верю, что ESR зашкаливает, но я думаю, что эти 11,3 Ом здесь не применимы.
@KenshinARG Обратите внимание, что кривая Мураты для ESR поднимается только выше последовательного резонанса. Всегда помните постоянную времени ESR C для разных типов крышек или читайте другие мои ссылки.
Я думаю, у вас есть хорошее представление о том, как рассчитать способность конденсатора рассеивать тепло, используя ESR и пульсирующий ток при частоте 120 Гц. Как вы рассчитали эти 1,03 Вт?
spec I пульсация ^ 2 * ESR = Pc .. 1 Вт для этого размера много, так как диэлектрики также являются теплоизоляционными.
Вы должны шунтировать E-колпачки керамическими колпачками с низким ESR, такими как X5R, поскольку они предлагают диапазон T = от 0,01 до 0,1 мкс в зависимости от семейства керамики.
Я пульсирую ^ 2 * ESR = (0,092 А) ^ 2 * 11,3094 Ом = 95 мВт (это может сделать мои расчеты потерь мощности оправданными, почему он взрывается) Если я использую керамический колпачок параллельно с этим, проблема может быть решена? Я ожидаю, что эквивалентное ESR упадет ниже ESR керамики при параллельном соединении, но я не уверен (это не просто резисторы)
Вам может понадобиться несколько .. 1 мкФ и 0,1 мкФ x N, чтобы уменьшить ESR и распределить ток. но вы должны изменить 22 мкФ на 100 мОм или меньше

Обратите внимание, что есть конденсаторы для ФИЛЬТРАЦИИ... И есть конденсаторы для РАЗВЯЗКИ.

Конденсаторы для ФИЛЬТРАЦИИ рассчитаны на среднеквадратичное значение тока. Эта спецификация напечатана на конденсаторе. Поэтому, если не напечатано, не используйте в качестве фильтрации.

Также есть конденсаторы для фильтрации на «высоких частотах» (в высокочастотных преобразователях --> возможно > 10 МГц). Эти конденсаторы имеют максимально возможную резонансную частоту ... что приводит к очень низкой остаточной индуктивности, монтаж имеет решающее значение.

Почему ты кричишь?
Из-за чего взрывается конденсатор моего преобразователя постоянного тока в постоянный?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v