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

Ich habe einige Kondensatoren gesprengt und bin mir nicht sicher, was die Ursache dafür ist. Es ist definitiv KEINE ÜBERSPANNUNG und KEINE FALSCHE POLARISATION . Lassen Sie mich das Szenario vorstellen:

Ich habe einen doppelt kaskadierten Aufwärtswandler nach diesem Schema entworfen:

Kaskadierter Aufwärtswandler

Vout ist erhältlich bei:   v Ö u t = v ich n / ( 1 − D max ) 2 wo D max ist die maximale Einschaltdauer.

Ich möchte eine Eingangsspannung von 12 V in eine Ausgangsspannung von 100 V umwandeln. Meine Last beträgt 100 Ω , daher würde sie 100 W verbrauchen. Wenn ich keine Verluste berücksichtige (ich weiß, dass ich ZU Idealist bin, beruhige dich), liefert die Eingangsspannungsquelle 8,33 A

Wir können die Schaltung in zwei Stufen aufteilen, der Ausgang 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 ein 22-uF-Elektrolytkondensator (radial) 10 x 12,5 mm. Ich bin mir absolut sicher, dass die Polarisierung stimmt.

Der Eingangsstrom der zweiten Stufe sollte (idealerweise) etwa 3,33 A betragen (um die 100 W mit 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 100Khz .

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

Kann es ein Effekt der ESR sein? Diese Kappe hat einen Verlustfaktor von 0,15 bei 1 kHz. | X c | = 1 / ( 2 ∗ p ich ∗ 100 K h z ∗ 22 u F ) = 0,07234 Ω
So E S R = 0,15 ∗ 0,07234 = 0,01 Ω (DF würde auch für eine höhere Frequenz zunehmen) für C1.

Da L2 ziemlich groß ist, würde ich erwarten, dass C1 einen ziemlich konstanten Strom liefert, der dem Eingangsstrom der zweiten Stange (3,33 A) entspricht, sodass die im ESR verbrauchte Leistung ungefähr sein sollte: 3.33 EIN 2 ∗ 0,01 Ω = 0,11 W

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

Zusätzliche Information:

  • L1 ist etwa 1 mHy
  • L2 ist etwa 2 mHy
  • D1 ist eine Schottky 45V Diode
  • Ich habe zwei verschiedene Kondensatoren ausprobiert: 160 V 22 uF, die in die Luft gesprengt sind, und dann habe ich die 350 V 22 uF ausprobiert, die ebenfalls in die Luft gesprengt sind.
  • Das Messen des Stroms in der Kappe wäre aufgrund des PCB-Layouts schwierig
  • Sowohl der erste als auch der zweite MOSFET haben ein kleines Snubber-RC-Netzwerk. Ich glaube nicht, dass es in C1 zu Problemen führen könnte.

Ich warte auf Ihre Ideen!

EDIT n ° 1 = L1 ist ziemlich groß, die Welligkeit beträgt nur 1% des Nenneingangsstroms (sagen wir 100 W / 12 V = 8,33 A), sodass Sie davon ausgehen können, dass es am Eingang von Stufe 1 fast wie ein konstanter Strom ist. Für Stufe 2 Wenn die Welligkeit des Induktorstroms weniger als 5 % beträgt, können wir auch davon ausgehen, dass es sich um einen Konstantstrom handelt). Wenn MOSFET 1 eingeschaltet ist, fließen etwa 8,33 A durch ihn, aber wenn er ausgeschaltet ist, würde dieser Strom (wir sagten "praktisch konstant") durch D1 fließen. Wir können sagen, dass Strom im Kondensator wäre ich D 1 − ich L 2 . Dann stellen wir schließlich fest, dass der Spitzenstrom in C1 in der Größenordnung von liegen muss 8.33 EIN − 3.33 EIN = 5 EIN . Ziemlich aktuell! und es würde sich auflösen 5 EIN 2 ∗ 0,01 Ω = 0,25 W ... sieht aber nicht so viel Verlustleistung im ESR aus.

Wie jemand sagte, könnte ich auch die innere Induktivität der Kappe in Betracht ziehen, aber ich denke, dies wäre keine Ursache für die Verlustleistung (wir wissen, dass Induktivitäten Energie speichern, aber nicht in Wärme umwandeln). Wie auch immer, trotz der obigen Berechnung war sehr vereinfacht und es könnte eine etwas höhere Verlustleistung sein, ich frage mich immer noch, ob es ausreicht, um es zum Kochen zu bringen und zu explodieren!

Wie sehen deine Wellenformen aus?
Hast du die Spannung am Kondensator mal mit einem Oszilloskop gemessen? Ich wette, dass Sie aufgrund der Induktivitäten große Spannungsspitzen bekommen, die Sie mit einem normalen Messgerät nicht sehen können
@W5VO du bist mir um 20 Sekunden zuvorgekommen =P
Nun, da Sie den absoluten Beweis haben, dass es sich nicht um Spannung oder Polarität handelt, bleibt nur der Restwelligkeitsstrom übrig.
@DerStrom8 Ich habe den Kondensator mit einem Oszilloskop gemessen. Ich habe keine Fotos, weil es ein analoges Zielfernrohr war (ich habe nicht genug Hände!), Aber auf den ersten Blick schien die Spannung ziemlich konstant zu sein. Übrigens, wie groß könnte diese Spitze in dieser Topologie sein? Ich denke, der Kondensator würde der Induktivität eine Spannung "auferlegen", wenn der MOSFET Nr. 2 eingeschaltet wird. Wenn nicht, würde ich erwarten, dass D1 viel früher zerstört wird als die Kappe, da sie nur 45 V gegenüber 350 V des Kondensators widersteht ....
@gbarry Wenn Sie den gleichen Welligkeitsstrom meinen, der durch L2 fließt, dann sind es nur 10% des Nennstroms (0,1 * 3,33 A = 0,33 A), die eine sehr geringe Leistung an der Reaktanz von ESR + C1 verbrauchen würden (wo sonst?). ..) Ich hoffe ich irre mich und du hast recht...
Ungefähr verwandeln Sie 10 V in 100 V (mit Dioden- und anderen Verlusten). (1-D)^2=0,1 => D=0,68. Die L1-Entladeperiode beträgt (1-D)=0,32, daher wechselt der Strom durch D1 zu C1 zwischen 0 A und 3,3/0,32 = 10 A. Ich habe einen Ripple-Stromwert einer typischen 22uF 350V-Aluminiumkappe nachgeschlagen, er beträgt 0,35A.
Was ist das Verhältnis von Welligkeitsstrom zu Nennwert? 50% ? 150%?
Wenn Sie sich für einen 350-V-Kondensator anstelle von 50 V entscheiden, erhalten Sie am Ende eine niedrige Kapazität, einen hohen ESR und eine niedrige Restwelligkeit. Simulieren / berechnen Sie es und Sie werden sehen, wie viel Bewertung Sie benötigen. Und was ist der Grund für einen zweistufigen Ansatz?
Wie hoch ist der Gesamtwirkungsgrad Ihres kaskadierten Boost-DCDC-Wandlers? Bleibt er hinter Ihren Erwartungen zurück, verschwenden Sie Energie in den Kappen und deren Aufheizung.
Link zum Datenblatt für C1. Wir müssen das Kleingedruckte sehen.
Wie schnell explodieren die Kondensatoren? Wie ist hier der zeitliche Rahmen? Millisekunden, Sekunden, Minuten, Stunden oder Tage?
@rioraxe Ein Teil dieses Stroms geht an die Last (Stufe 2) und die Eingangsspannung beträgt 12 V (fällt von 12,7 V auf 12,2 ~ 12,0 V mit 8 A). D ist also 0,653. Dies führt zu 34,6 V am Eingang von Stufe 2 und einem Eingangsstrom von 100 W/34,6 V = 2,89 A. Dann muss der Ausgangsstrom von Stufe 1 2,89 A/(1-0,653) = 8,33 A betragen. Dies bedeutet, dass die Kappe nur 8,33 - 2,89 A = 5,44 A aufnehmen würde (fast die Hälfte des von Ihnen angegebenen Stroms). Ich bin nicht davon überzeugt, wie Sie diesen Wert (10 A) erreicht haben, aber ich würde mich freuen, Ihren Standpunkt genauer zu erfahren (ich bin von meinen Aussagen auch nicht so überzeugt). Danke! (Siehe meine Bearbeitung Nr. 1)
@TonyStewart.EEsince'75 Welligkeitsstrom in L1 sollte gemäß (Vin x Dmax)/(Fs x L1 x Iin) etwa 1% betragen (Gleichung 18 aus diesem Anwendungsbericht )
@winny Ich würde ein Tastverhältnis von 88% benötigen, um diese Spannung mit einer Stufe zu erhöhen. Dieser kaskadierte Boost ist ein Prototyp für einen Boost-Wandler, der von 24 V auf 350 V erhöht; Ein 1-Stufen-Wandler würde eine Einschaltdauer von 93% benötigen, was ziemlich hoch ist. Also beschloss ich, es kaskadierend zu machen, um etwas "Erleichterung" hinzuzufügen.
@Autistic Ich habe den Wirkungsgrad noch nicht gemessen, weil ich das 100-V-Ausgangsziel nicht erreicht habe! Wie auch immer, wenn die Kappe, nehmen wir an, einen Verlust von 2 W verursacht, wäre dies kein kritischer Effizienzverlust, ABER eine große Leistung für eine kleine Kappe ....
@BrianDrummond Das war der kleine Junge 226CKE160MLN
Sie scheinen es aber gegeben zu haben, was gut ist und meine Meinung hier etwas vom Thema abweicht, aber 88 % sind nicht so schlecht. Transformator könnte auch in Betracht gezogen werden.
@KenshinARG Ich habe die Zahl gerade auf das 10-fache der Eingabe auf die Ausgabe gerundet, aber das ist näher an der Realität als bei der Annahme von 100% Effizienz wie bei Ihrer Berechnung. Was den Welligkeitsstrom betrifft, der abwechselnd zwischen 0 A und 10 A ankommt und im Durchschnitt auf 3,3 A ausgeht. Sie können dies tun, 0A - 3,3A gegenüber 10A - 3,3A, der aktuelle Schritt ist immer noch 10A.
Übrigens konzentrierte sich Ihre Berechnung auf den Fehlermodus, da der Welligkeitsstrom die durchschnittliche Erwärmung aufgrund des aus der Spezifikation geschätzten ESR ist. Ist der Spezifikations-ESR noch gültig, wenn der Welligkeitsstrom bisher außerhalb der Spezifikation liegt? Ist durchschnittliche Erwärmung der Ausfallmodus? Ich weiß es nicht, aber ich würde auch nicht davon ausgehen, dass der Welligkeitsstrom das 20-fache oder mehr der Nenngrenze beträgt.
@KenshinARG meinst du den mit 92 mA Welligkeitsstrom auf Seite 4 dieses Datenblatts?
@rioraxe Ich bin mir ziemlich sicher, dass das Heizungsproblem von der ESR herrührt. Wie auch immer, der Ripple-Strom liegt unter 83 mA (L1 sorgt dafür), der durchschnittliche Strom ist hoch, der Ripple-Strom ist es nicht. Zusätzlich ist der Wert im Datenblatt auf 120Hz ausgelegt, der Wert nimmt mit der Frequenz bis zur Eigenresonanzfrequenz ab und steigt dann aufgrund von ESL an. Es ist keine zuverlässige Idee, diese Werte für 100 kHz zu verwenden. Ich würde ESL benötigen, um den tatsächlichen Verlustfaktor bei 100 kHz gut zu berechnen, aber er ist nicht im Datenblatt verfügbar. Aber ich wiederhole: Es muss ESR sein, ich werde die Schaltung morgen mit Keramikkappen testen.
@BrianDrummond genau, dieses hässliche billige Ding ...

Antworten (5)

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

Wenn Sie dann Ihren ESR-Wert verwenden, beträgt die Verlustleistung etwa 0,4 W, viel mehr als Sie zuvor berechnet haben.

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

Ich würde vorschlagen, dass Sie Webench von TI verwenden , um ein Design durchzuarbeiten und sich dann die ausgewählten Komponenten anzusehen. Sie werden feststellen, dass viele der Designs Kondensatoren mit sehr niedrigem ESR verwenden und oft zwei oder sogar drei parallel geschaltet sind. Zum Beispiel verwenden sie häufig Polymerkappen von Panasonic in den Designs und sie haben sehr hohe Ripple-Stromwerte bei sehr hohen Frequenzen.

Hallo Jack, schau dir bitte mein EDIT Nr. 1 an. Wir unterscheiden uns ein wenig in unserer Berechnung, aber wir zielen auf dasselbe ab. Übrigens sagten Sie: " Wenn die Einschaltdauer verringert wird, wird dies schlimmer. " Aber Ihre obige Formel sagt das Gegenteil.
Du hast Recht...... Es ist einfach D in der Annäherung und nicht 1-D.

Ich setze auf Kraft, die durch Ripple-Ströme erzeugt wird. Ihr Kondensator hat etwas ESR. Gepulster Strom Ihrer Größenordnung kann dort ziemlich leicht wie zehn bis zwanzig Watt austreten. Also ... mehrere parallel schalten, mit geringstmöglichem ESR/ESL

Mein Plan sieht jetzt vor, mehrere parallele Polyesterfolienkondensatoren zu verwenden. Ich denke, sie haben einen niedrigeren ESR und können der von mir benötigten Spannung standhalten, wodurch Dutzende von Keramikkappen vermieden werden. Wie denkst du?
Ich verstehe nicht, warum Sie Keramik meiden. Ich habe einmal eine Reihe von 100 Keramikkappen verwendet, war perfekt. Andere Anwendung, aber trotzdem..
Das Beste an SMT-Keramikkappen ist übrigens, dass Sie sogar vier Schichten davon stapeln können.
Nur wegen der Kosten und der Größe (des Arrays) ist dieses Design ein Prototyp für einen größeren Konverter. Ich bräuchte zu viele. Ich werde es am Ende tun, wenn ich es mit den Polyestern nicht zum Laufen bringen kann!
Meine Strategie besteht normalerweise darin, die beste Leistungsoption zu wählen und auf der nächsten Stufe zu optimieren. An deiner Stelle würde ich mit Keramik beginnen, oder sogar beide Optionen.

Ihre Kondensatoren haben möglicherweise eine ziemlich große innere Induktivität - zu viel für 100-kHz-Impulse. Parallel dazu sollten Sie einige kleinere Nicht-Elektrolytkondensatoren schalten, bis das Oszilloskop anzeigt, dass die Spannungsgrenzen nicht überschritten werden.

Übrigens. Der Strom rauscht als Impulse von den Induktoren, sobald die Fets abschalten. Der Beginn des Stromimpulses ist sehr scharf – so scharf, wie schnell die Fets abschalten können. Wenn die Schaltfrequenz 100 kHz beträgt, sollten die Kondensatoren wirklich einige MHz gut vertragen. HINWEIS: Elektrolyte mit niedriger Induktivität für SMPS-Anwendungen werden entwickelt, aber sie kosten echtes Geld, nicht ein paar Cent wie die gewöhnlichen Modelle.

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

Gute Beobachtung. Könnte die innere Induktivität eine Ursache für die Erwärmung sein? Theoretisch sollte es nicht...
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, was die schnellste Laderate ist, die es handhaben und die volle Ladespannung erreichen kann.

f Schalter = 100 kHz PWM-Variable D also als 100 kHz erscheint es als verlustbehafteter Widerstand nur bei 11,3 Ω mit Verlusten von P c = ich 2 E S R und einem Nennwelligkeitsstrom von 92 mA kann das Gerät nur 1,03 W bei einer maximalen Temperatur von 105 ° C oder einem Anstieg von 85 ° C über Raumtemperatur von 20 ° C verarbeiten.

Um nun eine 22-uF-Kappe zu wählen, sollten Sie der Empfehlung von App Note folgen und eine Kappe mit niedrigem ESR und keine Allzweck-Elektrolyse (GP E-Kappe) wählen.

Was sie Ihnen in der Schule nicht sagen (und ich habe viele Male auf dieser Seite kommentiert) , ist, dass eine GP-E-Kappe einen ESR * C > = 100 us hat, während eine niedrige ESR-Kappe < 10 us und im besten Fall < 1 us ist. Das brauchen Sie, wenn Sie eine Schaltperiode < 10us wählen.

Jetzt ist es nicht mehr schwer, Digikey- oder Mouser-Datenbanken nach ESR zu sortieren oder auf andere Weise nach extrem niedrigem ESR zu suchen. Vielleicht möchten Sie auch die MSDS-Datenblätter von E-Caps für die Exposition gegenüber giftigen Materialien lesen, wenn sie explodieren.

Die App Note rät Ihnen, dies unter INDUKTORAUSWAHL zu erwarten

Eine gute Schätzung für den Welligkeitsstrom der Induktivität liegt bei 20 % bis 40 % des Ausgangsstroms.

E-Caps werden auf verschiedene Weise bewertet. DF @120Hz (für kleinen Brückengleichrichter) max. Rippelstrom ESR (typ.) nicht nach 10 Jahren gealtert !

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Kondensatoren normalerweise durch Entladen von Stromimpulsen aufgeladen und dann zwischen den Impulsen langsam entladen werden, sodass das Tastverhältnis das Verhältnis von Spitzen-/Durchschnittsstrom bestimmt. Wenn die Brummspannung 10 % beträgt, beträgt das pk/avg-Stromverhältnis 10/1. Wenn die Energiedissipation die Verlustleistung in jedem Puls multipliziert mit der Pulswiederholungsrate ist. Kein Problem da 100Hz und 1000x schlechter bei 100kHz.

Daher ist das Ergebnis des Nichtverstehens subtiler Ratschläge in der App Note ... ein chinesischer Kracher.

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

Bei dieser Frequenz hätte ich einen Kondensator mit niedrigem ESR wählen sollen, mein Fehler. Ich mag Ihren Standpunkt aus der Zeitkonstante, aber ich muss leider sagen, dass der ESR mit der Frequenz abnimmt. Diese Grafik von Murata zeigt die Abhängigkeit der ESR-Kurve von der Frequenz. Ich habe ESL nicht berücksichtigt (ich habe es nicht), aber wenn Sie den ESR auf diese Weise schätzen, erhalten Sie bei 120 Hz 9 Ω. Ich glaube, ESR sprengt es, aber ich denke, diese 11,3 Ω gelten hier nicht.
@KenshinARG Beachten Sie, dass die Murata-Kurve für ESR nur über die Serienresonanz ansteigt. Denken Sie immer an die ESR C-Zeitkonstante für verschiedene Arten von Kappen oder lesen Sie meine anderen Links
Ich denke, Sie haben eine gute Vorstellung davon, wie Sie die Wärmeableitungsfähigkeit des Kondensators anhand des ESR und des bei 120 Hz bereitgestellten Welligkeitsstroms berechnen können. Wie haben Sie diese 1,03 W berechnet?
spec I ripple^2*ESR=Pc .. 1 Watt für diese Größe ist groß, da Dielektrika auch Wärmeisolatoren sind
Sie müssen E-Kappen mit Keramikkappen mit niedrigem ESR wie X5R überbrücken, da sie je nach Keramikfamilie im Bereich von T = 0,01 bis 0,1 us liegen
Ich ripple ^ 2 * ESR = (0,092 A) ^ 2 * 11,3094 Ω = 95 mW (Dies könnte meine Berechnungen des Leistungsverlusts rechtfertigen, warum es explodiert) Wenn ich parallel zu dieser eine Keramikkappe verwende, kann das Problem gelöst werden? Ich würde erwarten, dass der äquivalente ESR bei einer Parallelschaltung unter den ESR der Keramik fällt, bin mir aber nicht sicher (dies sind nicht nur Widerstände).
Möglicherweise benötigen Sie mehrere .. 1uF & 0,1uF x N, um den ESR zu reduzieren und den Strom zu verteilen. aber Sie müssen die 22 uF auf 100 mOhm oder weniger ändern

Beachten Sie, dass es Kondensatoren zum FILTERN gibt ... Und es gibt Kondensatoren zum ENTKOPPELN.

Die Kondensatoren für die FILTERUNG sind für einen RMS-Strom spezifiziert. Diese Angabe ist auf dem Kondensator aufgedruckt. Wenn also nicht gedruckt, nicht als Filter verwenden.

Es gibt auch Kondensatoren zum Filtern bei "hohen Frequenzen" (in Hochfrequenzwandlern --> evtl. > 10 MHz). Diese Kondensatoren haben eine möglichst hohe Resonanzfrequenz ... was zu einer sehr geringen Restinduktivität führt, die Verdrahtung ist kritisch.

Warum schreist du?
Was bringt den Kondensator meines DC/DC-Wandlers zum Explodieren?
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