DC / DC 컨버터의 커패시터가 폭발하는 이유는 무엇입니까?

커패시터가 끊어졌으며 원인이 무엇인지 잘 모르겠습니다. 확실히 과전압이 아니며 잘못된 편광이 아닙니다 . 시나리오를 소개하겠습니다 :

이 체계를 사용하여 이중 캐스케이드 부스트 컨버터를 설계했습니다.

Vout은 에서 얻을 수 있습니다. 여기서 D_ \ max 는 최대 듀티 사이클입니다.D $\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$$D_ \max$

12V 의 입력 전압을 100V 출력 전압 으로 승압하고 싶습니다 . 내 부하는 100Ω 이므로 100W를 소비합니다. 손실이 없다고 생각하면 (나는 내가 이상 주의자임을 알고, 진정) 입력 전압 소스는 8.33A 를 제공 할 것이다

회로를 두 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계의 출력은 두 번째 단계의 입력입니다. 여기 내 문제가 온다 :

C1은 약 30V에 도달 할 때 전압이 상승합니다. C1은 350V 등급이며 22uF 전해 커패시터 (방사형) 10x12.5mm입니다. 나는 편광이 옳다는 것을 완전히 확신합니다.

두 번째 단계의 입력 전류는 (이 단계에서 30V로 100W를 유지하기 위해) 약 3.33A 여야합니다. 나는 현재가 더 높을 수도 있지만,이 목적을 위해 좋은 근사치입니다. 스위칭 주파수는 100Khz 입니다.

어떤 이유로 캡이 터져서 왜 그런지 모르겠습니다. 물론 이런 일이 발생하면 뚜껑 (죽음)이 뜨겁습니다.

ESR의 영향이 될 수 있습니까? 이 캡은 1kHz에서 0.15 손실 계수를 갖습니다. 따라서 (DF는 더 높은 주파수 일 경우 증가).$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

L2가 꽤 크므로 C1이 두 번째 스 태지 입력 전류 (3.33A)와 같은 일정한 전류를 전달할 것으로 예상되므로 ESR에서 소비되는 전력은 약$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

너무 뜨겁고 폭발 할 수 있습니까? 나는 그것을 의심한다.…

추가 정보:

• L1은 약 1mHy입니다
• L2는 약 2mHy입니다
• D1은 쇼트 키 45V 다이오드입니다
• 나는 두 가지 다른 커패시터를 시도했다.
• PCB 레이아웃으로 인해 캡의 전류 측정이 어려울 수 있습니다
• 첫 번째 MOSFET과 두 번째 MOSFET에는 모두 작은 스 너버 RC 네트워크가 있습니다. C1에서 문제가 발생할 수 있다고 생각하지 않습니다.

나는 당신의 아이디어를 기다리고 있습니다!

EDIT n ° 1 = L1은 꽤 크고 리플은 정격 입력 전류 (100W / 12V = 8.33A)의 1 %에 불과하므로 que는 스테이지 1의 입력에서 거의 일정한 전류와 같다고 가정 할 수 있습니다. 인덕터 전류 리플이 5 % 미만이면 정전류라고 생각할 수 있습니다. MOSFET 1이 켜지면 약 8.33A가 통과하지만 꺼지면 그 전류 ( "실제로 일정하다"고 함)는 D1을 통과합니다. 커패시터의 전류는 라고 말할 수 있습니다 . 그런 다음 C1의 피크 전류는 정도 여야합니다 . 꽤 최신! 그것은 낭비 것 ...하지만 외모 적혈구 침강 속도에서 소모하지 너무 많은 전력을.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

누군가가 말했듯이, 캡의 내부 인덕턴스도 고려할 수 있지만 전력 소비의 원인이 아닐 것이라고 생각합니다 (인덕터는 에너지를 저장하지만 열로 만들지는 않습니다) 어쨌든 위의 계산에도 불구하고 매우 단순화되었고 약간 더 높은 전력이 소비 될 수 있습니다. 나는 그것이 끓고 폭발하기에 충분한 지 여전히 궁금합니다!

C1의 피크 리플 전류는 약 I (out) / D이며 여기서 D = 듀티 사이클입니다. 듀티 사이클이 30V 출력에서 ​​50 %라면 C1의 리플은 3.3 / 0.5 = 6.6A입니다. 듀티 사이클이 감소함에 따라 이는 더 나빠집니다. 듀티 사이클이 10 % = 0.1이면 전류 피크는 33A입니다.

그런 다음 ESR 값을 사용하면 소비되는 전력이 약 0.4W로, 이전에 계산 한 것보다 훨씬 높습니다.

Mouser 에서 160V 커패시터를 살펴보면 (Al Electrolytics를 사용한다고 가정합니다) 필요한 피크 전류를 유지할 수 있는 일반적으로 사용 가능한 것은 없습니다.

TI의 Webench 를 사용 하여 설계 작업을 수행 한 다음 선택한 구성 요소를 살펴 보는 것이 좋습니다 . 매우 낮은 ESR 커패시터를 사용하고 병렬로 2 개 또는 3 개가있는 많은 설계를 알 수 있습니다. 예를 들어 설계에서 Panasonic 폴리머 캡을 자주 사용 하며 매우 높은 주파수에서 리플 전류 정격이 매우 높습니다.

커패시터는 100kHz 펄스에 비해 너무 큰 내부 인덕턴스를 가질 수 있습니다. 오실로스코프에 전압 제한이 초과되지 않았 음을 나타낼 때까지 일부 작은 무전 해 커패시터를 병렬로 연결해야합니다.

BTW. 피트가 꺼지 자마자 전류가 인덕터에서 펄스로 급등합니다. 전류 펄스의 시작은 피트가 얼마나 빨리 꺼질 수 있는가만큼 날카 로워집니다. 스위칭 주파수가 100kHz 인 경우 커패시터는 실제로 몇 MHz를 올바르게 처리해야합니다. 참고 : SMPS 응용 제품을위한 낮은 인덕턴스 전해질이 개발되었지만 일반 모델과 같은 돈이 아닌 실제 비용이 발생합니다.

늦은 추가 : 모든 출력 전력은 처음에 커패시터에 저장되며 입력에서 출력으로 직접 연결되지 않습니다. 여러 인접 주석에서 제안한 바와 같이-커패시터의 투명한 소실로 인해 약간의 비등이 발생할 수 있습니다. 인덕턴스는 내부 플레이트 롤의 가장 가까운 끝에 더 많이 국한되도록합니다.

리플 전류에 의해 생성 된 전력에 베팅했습니다. 커패시터에는 ESR이 있습니다. 당신의 크기의 펄스 전류는 10 와트처럼 아주 쉽게 떠날 수 있습니다. 따라서 ... 가능한 가장 낮은 ESR / ESL로 여러 개를 병렬로 연결하십시오

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 = 5.6kHz로, 최대 충전 전압을 처리하고 도달 할 수있는 가장 빠른 충전 속도입니다.

f 스위치 = 100kHz PWM 변수 D 따라서 100kHz는 에서만 손실 저항으로 나타납니다. 손실과 의 정격 리플 전류에서이 장치는 105C의 최대 온도에서 1.03W 만 처리 할 수 ​​있습니다. 실온 20C 이상에서 85C 상승.$Pc=I^2ESR$

이제 22uF 캡을 선택하려면 App Note 권장 사항을 따르고 범용 전해 (GP e-cap)가 아닌 낮은 ESR 캡을 선택하십시오

그들이 학교에서 당신에게 말하지 않은 것은 (그리고 나는이 사이트에서 여러 번 댓글을 달았습니다) GP e-cap은 ESR * C> = 100 us이지만 낮은 ESR 모자 <10us 및 최상의 경우 <1us입니다. 스위치 기간 <10us를 선택할 때 필요한 것입니다.

이제 Digikey 또는 Mouser 데이터베이스를 ESR로 정렬하거나 다른 방법으로 초저 ESR을 검색하는 것은 어렵지 않습니다. 또한 폭발 할 때 독성 물질 노출에 대한 e-cap의 MSDS 데이터 시트를 읽을 수도 있습니다.

앱 노트는 인덕터 선택에서

인덕터 리플 전류에 대한 올바른 추정은 출력 전류의 20 % ~ 40 %입니다.

E- 캡은 여러 가지 방법으로 등급이 지정됩니다. DF @ 120Hz (작은 라인 브리지 정류기 사용) 최대 리플 전류 ESR (일반)은 10 년 후에 노화되지 않습니다!

캡은 일반적으로 전류 펄스를 덤핑하여 충전 한 다음 펄스 사이에서 천천히 방전되므로 듀티 사이클은 피크 / 평균 전류의 비율을 결정합니다. 리플 전압이 10 %이면 pk / avg 전류 비율은 10/1입니다. 에너지 소산이 각 펄스의 전력 소산 인 경우 펄스 반복률을 곱합니다. 100kHz에서 100Hz 및 1000x 악화로 문제 없음.

따라서 App Note ...의 미묘한 조언을 이해하지 못한 결과는 중국의 폭죽입니다.

문제가되었던 의견에 대한 OP의 언급

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf 캡 사양
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf 부스트 레지 디자인 앱 노트