¿Qué está haciendo explotar el condensador de mi convertidor CC / CC?

Estoy haciendo explotar algunos condensadores y no estoy seguro de cuál es la causa de esto. Definitivamente NO ES SOBRETENSIÓN y NO está en POLARIZACIÓN INCORRECTA . Permítanme presentarles el escenario:

He diseñado un convertidor Boost de doble cascada usando este esquema:

D $\ Vout=Vin/(1-D_\max)^2$$D_ \max$

Quiero aumentar un voltaje de entrada de 12V a un voltaje de salida de 100V . Mi carga es de 100Ω , por lo tanto, se estaría disipando 100W. Si considero que no hay pérdidas (sé que estoy siendo demasiado idealista, cálmate), la fuente de voltaje de entrada entregará 8.33A

Podemos dividir el circuito en dos etapas, la salida de la primera etapa es la entrada de la segunda etapa. Aquí viene mi problema:

C1 está explotando cuando el voltaje a través de él alcanza aproximadamente 30V. C1 tiene una capacidad nominal de 350V y es un condensador electrolítico de 22uF (radial) de 10x12.5mm. Estoy totalmente seguro de que la polarización es correcta.

La corriente de entrada de la segunda etapa debería (idealmente) ser de alrededor de 3.33 A (para mantener los 100 W con 30 V para esta etapa). Sé que la corriente podría ser mayor, pero es una buena aproximación para este propósito. La frecuencia de conmutación es de 100Khz .

Por alguna razón, la tapa explota y realmente no sé por qué. Por supuesto que cuando esto sucede, la tapa (muerta) está caliente.

¿Puede ser un efecto de la ESR? Este límite tiene un factor de disipación de 0,15 a 1 kHz. Entonces (DF también aumentaría para una frecuencia más alta) para C1.$|X_c|= 1/(2*pi*100Khz*22uF) =0.07234Ω$
$ESR=0.15*0.07234= 0.01Ω$

Dado que L2 es bastante grande, esperaría que C1 entregue una corriente bastante constante igual a la corriente de entrada del segundo escalón (3.33A), por lo que se supone que la potencia disipada en ESR es alrededor de:$3.33A^2 * 0.01Ω = 0.11W$

¿Puede esto hacer demasiado calor y explotar? Lo dudo....

Información Adicional:

• L1 es aproximadamente 1mHy
• L2 es de unos 2mHy
• D1 es un diodo schottky de 45 V
• Probé dos condensadores diferentes: 160V 22uF que explotaron, y luego probé el 350V 22uF que también explotó.
• Medir la corriente en la tapa sería difícil debido al diseño de PCB
• Tanto el primer MOSFET como el segundo tienen una pequeña red RC de snubber. No creo que pueda causar ningún problema en C1.

¡Estoy esperando tus ideas!

EDITAR n ° 1 = L1 es bastante grande, la ondulación es solo el 1% de la corriente de entrada nominal (digamos 100W / 12V = 8.33A), por lo que puede suponer que es casi como una corriente constante en la entrada de la etapa 1. Para la etapa 2 la ondulación de la corriente del inductor es inferior al 5%, también podemos pensar que es una corriente constante). Cuando MOSFET 1 se ENCIENDE, alrededor de 8.33A lo atraviesa, pero cuando se apaga, esa corriente (dijimos "prácticamente constante") pasaría por D1. Podemos decir que la corriente en el condensador sería . Entonces finalmente encontramos que la corriente máxima en C1 debe estar en el orden de . Bastante actual! y disiparía ... pero no se ve tanta potencia disipada en el ESR.$I_{D1} - I_{L2}$$8.33A - 3.33A = 5A$$5A^2 *0.01Ω = 0.25W$

Como alguien dijo, también podría considerar la inductancia interna de la tapa, pero creo que esto no sería una causa de disipación de energía (sabemos que los inductores almacenan energía pero no la calientan) De todos modos, a pesar del cálculo anterior estaba muy simplificado y podría haber un poco más de potencia disipada, todavía me pregunto si es suficiente para que hierva y explote.

La corriente de ondulación máxima para C1 es aproximadamente I (fuera) / D donde D = ciclo de trabajo. Si el ciclo de trabajo es de un 50% en su salida de 30 V, la ondulación para C1 es 3.3 / 0.5 = 6.6 A. A medida que se reduce el ciclo de trabajo, esto empeora. Si el ciclo de trabajo era 10% = 0.1, entonces el pico actual es 33 A.

Si luego usa su valor de ESR, la potencia disipada es de aproximadamente 0.4 W, mucho más alta de lo que calculó previamente.

Si miro los condensadores de 160 V en Mouser (supongo que está utilizando Al Electrolytics), entonces no veo nada disponible en general que pueda mantener las corrientes máximas que necesita.

Le sugiero que use Webench de TI para trabajar en un diseño y luego mirar los componentes seleccionados. Notará en muchos de los diseños que usan condensadores ESR muy bajos y que a menudo tienen dos o incluso tres en paralelo. Por ejemplo, usan tapas de polímero Panasonic a menudo en los diseños y tienen clasificaciones de corriente de ondulación muy altas a frecuencias muy altas.

Sus condensadores pueden tener una inductancia interna bastante grande, demasiado para pulsos de 100 kHz. Debe conectar algunos condensadores no electrolíticos más pequeños en paralelo con ellos hasta que el osciloscopio muestre que no se exceden los límites de voltaje.

Por cierto. la corriente se precipita como pulsos de los inductores tan pronto como se apagan los pies. El inicio del pulso actual es muy agudo, tan agudo como la velocidad con que se apagan los pies. Si la frecuencia de conmutación es de 100 kHz, los condensadores realmente deberían manejar varios MHz correctamente. NOTA: se desarrollan electrolitos de baja inductancia para aplicaciones SMPS pero cuestan dinero real, no centavos como los modelos ordinarios.

Adición tardía: toda su potencia de salida se almacena al principio en los condensadores, de manera directa desde la entrada a la salida. Como se sugiere en varios comentarios, la simple disipación en sus condensadores puede causar algo de ebullición. La inductancia hace que se localice más en los extremos cercanos del rollo de placa interior.

Apuesto al poder creado por las corrientes onduladas. Su condensador tiene algo de ESR. La corriente pulsada de su magnitud puede salir allí como diez y veinte vatios con bastante facilidad. Entonces ... Ponga varios en paralelo, con el ESR / ESL más bajo posible

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, que es la velocidad de carga más rápida que puede manejar y alcanzar el voltaje de carga completa.

f interruptor = variable de 100 kHz PWM D así como 100 kHz, aparecerá como una resistencia de pérdidas sólo a 11,3 Ω con pérdidas de y una corriente de rizado nominal de 92mA el dispositivo sólo puede manejar 1.03W a la temperatura máxima de 105 ° C o una aumento de 85C por encima de la temperatura ambiente 20C.$Pc=I^2ESR$

Ahora, para elegir un límite de 22uF, debe seguir la recomendación de la Nota de la aplicación y elegir un límite de ESR bajo y no un electrolítico de uso general (GP e-cap)

Lo que no le dicen en la escuela (y he comentado muchas veces en este sitio) es que un GP e-cap tiene un ESR * C> = 100 us, mientras que un ESR cap <10us y el mejor de los casos <1us. Esto es lo que necesita al elegir un período de cambio <10us.

Ahora no es difícil clasificar las bases de datos de Digikey o Mouser por ESR o buscar en otras formas ESR ultra bajo. También es posible que desee leer las hojas de datos de MSDS de las tapas electrónicas para la exposición a materiales tóxicos cuando explotan.

La Nota de la aplicación le aconseja esperar, bajo la SELECCIÓN DEL INDUCTOR, que

Una buena estimación de la corriente de ondulación del inductor es del 20% al 40% de la corriente de salida.

E-Caps se clasifican de varias maneras. ¡DF @ 120Hz (para uso de rectificador de puente de línea pequeña) ESR de corriente de ondulación máxima (tip.) ¡No envejece después de 10 años!

Es importante recordar que las tapas generalmente se cargan descargando pulsos de corriente y luego se descargan lentamente entre pulsos, por lo que el ciclo de trabajo determina la relación de corriente pico / promedio. Si el voltaje de ondulación es del 10%, la relación de corriente pk / avg es 10/1. Si la disipación de energía es la disipación de energía en cada pulso multiplicado por la frecuencia de repetición del pulso. No hay problema ya que 100Hz y 1000x peor a 100kHz.

Por lo tanto, el resultado de no entender los consejos sutiles en la Nota de la aplicación ... es un cortafuegos chino.

Las referencias de OP en los comentarios que deberían haber estado en cuestión

• http://www.mouser.com/ds/2/88/ckh_cke-611140.pdf Especificaciones de la tapa
• http://www.ti.com/lit/an/slva372c/slva372c.pdf Nota de la aplicación Boost Reg Design