DCDC变换器中的压电谐振器现状和限制

提高功率密度,减小电感和变压器在小体积和高频率下的尺寸,是直流直流转换器设计中的一大挑战。为了避免这种困难,通过利用所处的压电效应,利用压电谐振器在振动模式下代替电模存储能量。

即使使用采购计划在效率和功率密度方面改进了电源转换器的设计,也需要有一个更准确的操作模型来调查非线性,同时评估其物理极限。

谐振器中的压电效应

压电材料允许在机械和电气领域之间的低损失耦合。这种耦合为电力转换器提供了一种能量存储机制,在理论上,它比磁元件所能达到的效率更高,功率更高。该压电效应使电路能够电偶到机械谐振器,而机械谐振器的质量因数Q的一些数量超出了离散电容器和电感器所能实现的。对于一般的谐振器,高Q表示能量损失率较低,这意味着振荡的消失速度较慢。

PRS的特征是以K表示的优势图 2 Q M 当K是机电耦合系数时,它指定给定振动模式下的电气和机械能之间的转换效率 M 是机械质量因素。耦合系数等于耦合的压电能比, M ,对于存储的弹性能的几何平均值, e ,以及电能, D ,就是这样,凯。PR的性能可以根据材料、振动模式、几何尺寸、电极图案、机械安装结构和电触点而改变。

等效电路模型(巴特沃斯Van-DYE或BVD模型)将压电谐振器在其机械共振附近的电响应转换为一个简单的电路,该电路由一系列RLC运动分支组成,与输入电容c并行。 0 ,由电极形成,参见图1,其中的阻抗和。还显示了频率。

图1:电压共振器的BVD等效电路模型和阻抗

BVVD电路显示低阻抗串联共振(F r )由运动分支共振和高阻抗平行共振(F 元素元素 )由运动分支与电容c共振 0 .在F区之间的B区,PR表现出归纳行为。 r 和f 元素元素 频率;这一区域在电力转换中很重要,因为感应负载能够实现零电压开关(ZDH)。

BVD型号的准确性

BVD模型是从对其阻抗的小信号测量中推导出来的,并不能完全捕捉到谐振器的行为。首先,C 0 分支假设没有介电损耗,因此,更现实地,改进的BVD(MBVD)电路与串联电阻R 0 是必要的。此外,共振子可以显示次级的、低耦合的共振,称为假模式,用额外的LCR分支描述。由于实际的示威者已经达到了更高的功率密度,效率已经开始偏离BVD模型所预测的性能。高功率密度为1.01千瓦/厘米 3 以493千赫计 直流直流变换器在一个径向PZT(铅锆钛酸酯)谐振腔中记录了一个压电谐振腔,该谐振腔在12瓦下工作,从275伏到150伏。

在此操作点上,基于谐振腔的K和Q,变换器的理论效率为98.2%。 M .该转换器在低电压和低功率下接近这个建模的效率标记,但在最高功率操作点效率降至93.3%。这些偏差表明,非线性效应的发生,阻碍了小信号谐振器特性的精确建模大信号性能。观测密度为1.01千瓦/厘米 3 比其他最近的压电原型大幅度增加:148瓦/厘米 3 , 176.8 W/cm 3 , and 128 W/cm 3 .

温度如何影响

压电材料中的居里温度代表最高操作温度限制。PZT和LN的居里温度 LI Nb O 3 )分别为320℃和1,150℃。由于性能退化可能在更低的温度下发生,供应商通常将最高运行温度设置在居里温度的一半。另外,两个K 2 和Q M 随着温度上升而减少。

斯坦福大学的一些研究人员在2024年亚太经合组织会议上指出 1 ,K 2, 和Q M 在PZT共振器中,从25℃到150℃分别降低25%和80%。相反,k 2 保持常数和Q M 低氮材料仅减少21%。

值得一提的是,LN谐振腔具有许多虚假模式,因此其Q M 适合于感应带中的最低电阻。高温环境会引起偶极去极化的永久性破坏,这种影响可以通过在燃烧试验后测量谐振器的阻抗来监测。但是ln设备没有显示出这种永久性的损坏。在功率转换器应用程序中,K值显著下降 2 和Q M 对于较低的居里温度谐振器,转化为更低的效率,要求谨慎的热处理。

电压偏置效应

压电材料表现出一种独特的特性:当受到机械应力或电场的影响时,其内部结构会发生改变,从而导致微观域的重新定位。这些区域可以可视化为材料内部的区域,极化方向以特定的方式排列。这些域的切换在材料的压电响应中起着至关重要的作用。在某些变换器拓扑中,PR必须在直流偏置下工作,当电场接近材料强制场时,这一要求会迫使材料显示非线性行为。强制场是一种压电材料在进行去极化之前所能承受的最大电场,从而使其基本性质受到损失。直流偏置会影响某些参数比如频率,输出功率,效率,是非常重要的处理所有拓扑多个谐振器匹配。

本文评价了稳态偏差对谐振腔频率响应的影响。在1777PZT谐振腔上应用正电压偏置时,我们观察到耦合减少和伪散模式转移到较低频率。如果应用负偏置,阻抗曲线向上移动。LN共振器具有较高的强制场。PZT,所以只记录了阻抗的微小变化。

大信号分析

在外部耦合器和功率放大器的帮助下,用来自欧米克龙实验室的矢量网络分析仪进行了大信号测量。当绘制PZT谐振器的阻抗时 Pzt 在不同功率水平下,高功率时留下的串联谐振频率转移和共振质量因数降低导致非线性。一个有趣的测量包括绘制z的幅值和实部 Pzt 以一个频率增加功率。在54个数据基上,两个值的增加最终导致66个数据基上的故障,电流密度超过0.03A/mm 2 .

对于LN谐振腔,与PZT不同的是,从低功率到高功率的单频脉冲显示阻抗幅 Pzt 相等于雷人(Z) Pzt )作为权力的函数而增加。第一次扫描并没有导致材料失效(裂纹),而是产生了无损的弧形。降低阻抗,使其有足够的电流在57dbm时引发Ln破坏性失效,电流密度超过0.58A/mm 2 .

总之,当测试失败时,功率增加导致Q M PZT和LN的衰减、阻抗变化、PZT中伴随电压和电流波形的变形。由于使用pp的电力转换器是在不同的条件下运行的,包括温度范围、电压偏差和功率水平,不可避免地会产生非线性效应,这是必须适当处理的,以不损害转换器的性能。