Dlaczego pompy ładujące stosuje się tylko do zastosowań niskoprądowych?

Zazwyczaj najdroższymi (i trudnymi do zdobycia) elementami w SMPS są cewki indukcyjne. Zastanawiałem się więc, czy można zastosować zasilacze bezindukcyjne w trybie przełączania (tj. Pompy ładujące) do ogólnych zastosowań, na przykład zasilacz stacjonarny, stałe przetworniki DC-DC o dużej mocy (kilka amperów i moc około stu watów) ) itp.

Wszystkie konstrukcje pomp ładujących, które mogłem znaleźć, były przeznaczone do zastosowań o niskiej mocy. Co uniemożliwia zaprojektowanie zasilacza bezindukcyjnego o dużej mocy? Czy istnieją jakieś nieodłączne ograniczenia fizyczne?

Istnieją dwa problemy z Twoim pomysłem. Jedna praktyczna i jedna podstawowa.

Problem praktyczny polega na tym, że na ilość zmagazynowanych kondensatorów energii są droższe niż cewki indukcyjne, a na dodatek tak naprawdę wiek kondensatorów o dużej pojemności (elektrolitycznej).

Podstawowym problemem jest to, że ładowanie kondensatora ze źródła napięcia jest zasadniczo stratne (rozprasza się ciepło). Może się to wydawać sprzeczne z intuicją, ale mimo to jest prawdą. (Jakiś czas temu istniało pytanie). Stąd konwerter napięcia latający kondensator, nawet idealny, jest z natury nieefektywny. (Idealny konwerter napięcia oparty na cewce jest w 100% sprawny.)

Może się wydawać dziwne, że świat jest niesprawiedliwy w stosunku do kondensatorów, ale taka jest nasza wina ludzka: dostarczamy energię głównie ze źródeł napięcia. W przypadku źródeł prądu odwrotność jest prawdziwa: idealny konwerter prądu z latających kondensatorów może być w 100% sprawny, podczas gdy jeden z cewek musi koniecznie być stratny.

Kondensatory byłyby lepsze, gdyby źródłem i wyjściem był stały prąd. Możesz ładować kondensator, aż napięcie wzrośnie do pewnego poziomu, a następnie rozładuj kondensator do impedancji obciążenia, aby utrzymać stały prąd wyjściowy. Użyłbyś dużego induktora jako filtra wyjściowego, aby utrzymać stały prąd wyjściowy.

Ponieważ nasze źródła mają stałe napięcie i zwykle chcemy stałego napięcia wyjściowego, zastosowanie cewek indukcyjnych do magazynowania energii i kondensatorów do ich filtrowania jest bardziej sensowne.

Należy pamiętać, że wszystkie wydajne zasilacze impulsowe mają zarówno kondensatory, jak i cewki indukcyjne.

Tak, pompy ładujące (latający kondensator) mogą przyjmować napięcie i przesuwać je, obracać, a nawet pomnożyć przez liczby całkowite i tym podobne, ale za każdym razem, gdy ładujesz lub rozładowujesz kondensator za pomocą przełącznika rezystancyjnego, tracisz część zmiany energii kondensatora w samym przełączniku - większa zmiana napięcia oznacza więcej strat. Niższy przełącznik rezystancji oznacza po prostu, że energia tracona dla danej zmiany napięcia jest kompresowana w mniejszym przedziale czasu, a suma pozostaje stała.

Jeśli dwa kondensatory lub szeregowe szeregi kondensatorów o różnych napięciach zostaną połączone razem, ich ładunki wyrówna się w sposób, który zmniejszy ilość energii w nich zgromadzonej. Jeśli zostaną połączone za pomocą induktora, nadmiar energii zostanie przeniesiony do tego induktora, a następnie może zostać wykorzystany w jakimś użytecznym celu. Jeśli połączenie ma charakter wyłącznie rezystancyjny, energia zostanie w 100% zamieniona na ciepło. Minimalizacja oporu nie zmniejszy strat energii; ograniczy jedynie czas potrzebny do jego wystąpienia.

W związku z tym, aby pompa ładująca była wydajna, kondensatory muszą być wystarczająco duże, aby napięcie na nich nie zmieniało się zbytnio. W przypadkach, gdy pompa ładująca nie musi przenosić dużo energii, można zastosować liniowy regulator na wyjściu i wystarczająco zwiększyć napięcie, aby w najgorszych przypadkach tętnienia napięcie wyjściowe nadal było wystarczająco wysokie, aby utrzymać regulację, ale wydajność będzie ograniczony stosunkiem napięcia obciążenia pomnożonym przez stosunek wzmocnienia do napięcia źródłowego.

Istnieje kilka problemów z pompami ładującymi.

1. nie mogą jednocześnie oferować wydajności i regulacji napięcia. Jedynym sposobem regulacji napięcia wyjściowego, aby pozostawał on stały podczas zmian napięcia wejściowego i zmian obciążenia, jest wprowadzenie celowej nieefektywności.
2. Prąd musi przepływać przez dwa elementy przełączające (diody lub tranzystory) zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania części cyklu (podczas gdy w przypadku konwertera buck lub boost wystarczy tylko jeden element przełączający na raz).
3. Wydajność jest wysoce zależna od pożądanego stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego. Jeśli chcesz, powiedzmy, konwerter napięcia 1,5x, musisz użyć złożonego układu wielostopniowego lub wykonać konwerter 2x i uruchomić go w trybie celowo nieefektywnym.