是什么让我的 DC/DC 转换器的电容器爆炸?

电器工程 电容器 直流-直流转换器 促进 功耗 esr
2022-01-15 09:53:03

我有一些电容器被炸毁,我不确定这是什么原因。这绝对不是过压,也不是错误的极化先介绍一下场景:

我使用这种方案设计了一个双级联升压转换器:

级联升压转换器

Vout 可以从以下公式获得: \$\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2\$ 其中 \$D_ \max\$ 是最大占空比。

我想将 12V的输入电压升压到100V的输出电压。我的负载是100Ω,因此它会消耗 100W。如果我不考虑损失(我知道我太理想主义了,冷静点),输入电压源将提供8.33A

我们可以将电路分成两级,第一级的输出是第二级的输入。我的问题来了:

当 C1 两端的电压达到大约 30V 时,C1 就会爆炸。C1 额定电压为 350V,它是一个 22uF 电解电容器(径向)10x12.5mm。我完全确定两极分化是正确的。

第二阶段的输入电流(理想情况下)应该在 3.33A 左右(为了在这个阶段保持 100W 和 30V)。我知道电流可能会更高,但这是一个很好的近似值。开关频率为100Khz

由于某种原因,帽子爆炸了,我真的不知道为什么。当然,当这种情况发生时,帽子(死)很热。

这可能是ESR的影响吗?该电容在 1kHz 时的耗散因数为 0.15。\$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω \$
所以 \$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω\$(对于更高的频率,DF 也会增加)对于 C1。

由于 L2 相当大,我希望 C1 提供一个相当恒定的电流,等于第二个 stange 的输入电流 (3.33A),因此 ESR 中消耗的功率应该在:\$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W \$

这会使它变得太热并爆炸吗?我对此表示怀疑....

附加信息:

  • L1 约为 1mHy
  • L2 约为 2mHy
  • D1是肖特基45V二极管
  • 我尝试了两种不同的电容器:160V 22uF 爆炸了,然后我尝试了 350V 22uF 也爆炸了。
  • 由于 PCB 布局,测量电容中的电流会很困难
  • 第一个和第二个 MOSFET 都有一个小型缓冲 RC 网络。我认为这不会在 C1 中引起任何问题。

我在等你的想法!

编辑 n°1= L1 非常大,纹波仅为额定输入电流的 1%(假设 100W/12V = 8.33A),因此可以假设它几乎就像第一级输入的恒定电流。对于第二级电感电流纹波小于5%,也可以认为是恒流)。当 MOSFET 1 开启时,大约 8.33A 流过它,但当它关闭时,该电流(我们说“几乎恒定”)将通过 D1。我们可以说电容器中的电流为 \$ I_{D1} - I_{L2} \$ 。然后我们最终发现C1中的峰值电流必须在\$ 8.33A - 3.33A = 5A\$的数量级。电流差不多!它会耗散 \$5A^2 *0.01Ω = 0.25W \$ ...但看起来ESR 中耗散的功率并没有那么多。

正如有人所说,我可能还会考虑电容的内部电感,但我认为这不会是功耗的原因(我们知道电感器存储能量但不会将其转化为热量)无论如何,尽管上面的计算非常简化,可能会消耗更高的功率,我仍然想知道它是否足以让它沸腾和爆炸!

4个回答

C1 的峰值纹波电流约为 I(out)/D,其中 D= 占空比。如果在 30 V 输出时占空比为 50%,则 C1 的纹波为 3.3/0.5 = 6.6 A。随着占空比降低,情况会变得更糟。如果占空比为 10% = 0.1,则电流峰值为 33 A。

如果您随后使用 ESR 值,则耗散功率约为 0.4 W,远高于您之前计算的值。

如果我查看Mouser上的 160 V 电容器(我假设您使用的是 Al Electrolytics),那么我发现没有任何普遍可用的电容器可以维持您所需的峰值电流。

我建议您使用 TI 的Webench完成设计,然后查看所选组件。您会注意到在许多设计中,它们使用非常低 ESR 的电容器,并且通常有两个甚至三个并联。例如,他们在设计中经常使用松下聚合物帽,并且在非常高的频率下具有非常高的纹波电流额定值。

我赌的是纹波电流产生的功率。你的电容器有一些 ESR。像你这样大小的脉冲电流可能会很容易地离开那里,比如 1020 瓦。所以... 并行放置几个,尽可能降低 ESR/ESL

您的电容器可能具有相当大的内部电感 - 对于 100 kHz 脉冲来说太大了。您应该将一些较小的非电解电容器与它们并联,直到示波器显示未超过电压限制。

顺便提一句。一旦FET关闭,电流就以来自电感器的脉冲的形式涌入。电流脉冲的开始非常尖锐 - 与场效应晶体管关闭的速度一样快。如果开关频率为 100 kHz,则电容器确实应该能正确处理几 MHz。注意:用于 SMPS 应用的低电感电解液已经开发出来,但它们需要一些真钱,而不是普通型号的几美分。

后期添加:您所有的输出功率最初都存储在电容器中 - 从输入到输出没有直接的方式。正如其他几条评论中所建议的那样 - 电容器的纯粹耗散可能会导致一些沸腾。电感使其更多地定位在内板辊的近端。

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 这是它可以处理并达到满充电电压的最快充电速率。

f switch = 100kHz PWM 变量 D 因此在 100kHz 时,它仅在 11.3 Ω 时显示为有损电阻,损耗为 \$Pc=I^2ESR\$,额定纹波电流为 92mA 该器件在最高温度下只能处理 1.03W 105C 或高于室温 20C 的 85C。

现在要选择 22uF 电容,您要遵循 App Note 建议并选择低 ESR 电容而不是通用电解电容(GP e-cap)

他们在学校没有告诉你的(我在这个网站上评论过很多次)是 GP e-cap 的 ESR*C >= 100 us,而低 ESR 上限 < 10us,最佳情况 < 1us。这就是您在选择 < 10us 的开关周期时所需要的。

现在,按 ESR 对 Digikey 或 Mouser 数据库进行排序或以其他方式搜索超低 ESR 并不难。您可能还想阅读 E-caps 的 MSDS 数据表,了解它们爆炸时的有毒物质暴露情况。

App Note 建议您在 INDUCTOR SELECTION 下期望

电感纹波电流的一个良好估计值是输出电流的 20% 到 40%。

E-Caps 以多种方式进行评级。DF @120Hz(用于小型线路桥式整流器)最大纹波电流 ESR(典型值)10 年后未老化!

重要的是要记住,电容器通常通过释放电流脉冲充电,然后在脉冲之间缓慢放电,因此占空比决定了峰值/平均电流的比率。如果纹波电压为 10%,则 pk/avg 电流比为 10/1。如果能量耗散是每个脉冲中的功率耗散乘以脉冲重复率。100Hz 没问题,100kHz 时差 1000 倍。

因此,不理解 App Note 中的细微建议的结果……是中国的鞭炮。

来自 OP 在本应有问题的评论中的参考