Pourquoi les pompes de charge sont-elles utilisées uniquement pour les applications à faible courant?

Les éléments les plus chers (et difficiles à obtenir) d'un SMPS sont généralement les inducteurs. Je me demandais donc s'il était possible d'utiliser des alimentations en mode de commutation sans inductance (c'est-à-dire des pompes de charge) pour des cas d'utilisation génériques, par exemple une alimentation de paillasse, des convertisseurs CC-CC haute puissance fixes (plusieurs ampères et quelques centaines de watts de puissance). ), etc.

Toutes les conceptions de pompes de charge que j'ai pu trouver étaient destinées à des applications à faible puissance. Qu'est-ce qui empêche de concevoir une alimentation sans inductance haute puissance? Y a-t-il des limitations physiques inhérentes?

Il y a deux problèmes avec votre idée. Un pratique et un fondamental.

Le problème pratique est que par quantité de condensateurs d'énergie stockée sont plus chers que les inductances, et en plus de cela, les condensateurs à haute capacité (électrolytique) sont très âgés.

Le problème fondamental est que la charge d'un condensateur à partir d'une source de tension est fondamentalement avec perte (vous dissipez de la chaleur). Cela peut sembler contre-intuitif, mais c'est néanmoins vrai. (Il y avait une question à ce sujet il y a quelque temps.) Par conséquent, un convertisseur de tension à capacité volante, même idéal, est intrinsèquement inefficace. (Un convertisseur de tension à inductance idéal est efficace à 100%.)

Vous pourriez penser qu'il est étrange que le monde soit injuste envers les condensateurs, mais c'est notre faute humaine: nous alimentons principalement des sources de tension. Pour les sources de courant, l'inverse est vrai: un convertisseur de courant idéal à partir de condensateurs volants peut être efficace à 100%, tandis qu'un convertisseur à inductances doit nécessairement être à perte.

Les condensateurs seraient mieux si la source et la sortie étaient à courant constant. Vous pouvez charger le condensateur jusqu'à ce que la tension atteigne un certain niveau, puis décharger le condensateur dans l'impédance de charge pour maintenir un courant de sortie constant. Vous utiliseriez une grosse inductance comme filtre de sortie pour maintenir la constante de courant de sortie.

Étant donné que nos sources sont à tension constante et que nous voulons généralement une tension de sortie constante, l'utilisation d'inductances pour stocker l'énergie et de condensateurs pour la filtrer est plus logique.

Notez que toutes les alimentations à découpage efficaces ont à la fois des condensateurs et des inductances.

Oui, les pompes de charge (condensateur volant) peuvent prendre une tension et la déplacer, la retourner, même la multiplier par des entiers et autres, mais chaque fois que vous chargez ou déchargez un condensateur via un interrupteur résistif, vous perdez une partie du changement d'énergie du condensateur dans le commutateur lui-même - un changement de tension plus important signifie plus de pertes. Un interrupteur à résistance inférieure signifie simplement que l'énergie perdue pour un changement de tension donné est compressée en une tranche de temps plus petite, le total reste constant.

Si deux condensateurs ou séries de condensateurs de tensions différentes sont connectés ensemble, leurs charges se répartiront en moyenne de manière à réduire la quantité d'énergie qui y est stockée. S'ils sont connectés à l'aide d'une inductance, l'énergie excédentaire sera transférée vers cette inductance et pourra ensuite être utilisée à des fins utiles. Si la connexion est purement résistive, l'énergie sera convertie à 100% en chaleur. Minimiser la résistance ne réduira pas la perte d'énergie; cela réduira simplement le temps nécessaire à sa réalisation.

Par conséquent, pour qu'une pompe de charge soit efficace, les condensateurs doivent être suffisamment grands pour que la tension entre eux ne varie jamais beaucoup. Dans les cas où une pompe de charge n'a pas besoin de transporter beaucoup d'énergie, on peut utiliser un régulateur linéaire sur la sortie et augmenter la tension suffisamment pour que, dans les pires conditions d'ondulation, la tension de sortie soit toujours suffisamment élevée pour maintenir la régulation, mais l'efficacité sera limité par le rapport de la tension de charge multiplié par le rapport de suralimentation à la tension de source.

Il y a quelques problèmes avec les pompes de charge.

1. ils ne peuvent pas offrir simultanément une régulation de l'efficacité et de la tension. La seule façon de réguler la tension de sortie pour qu'elle reste constante pendant les variations de tension d'entrée et les variations de charge est d'introduire une inefficacité délibérée.
2. Le courant doit passer par deux éléments de commutation (diodes ou transistors) pendant les parties de charge et de décharge du cycle (alors qu'avec un convertisseur abaisseur ou élévateur, il n'a besoin de traverser qu'un élément de commutation à la fois).
3. L'efficacité dépend fortement du rapport de tension d'entrée / sortie souhaité. Si vous voulez faire dire un convertisseur de tension 1,5x, vous devrez alors utiliser un arrangement complexe à plusieurs étages ou faire un convertisseur 2x et l'exécuter dans un mode délibérément inefficace.