DCDC變換器中的壓電諧振器現(xiàn)狀和限制

提高功率密度,減小電感和變壓器在小體積和高頻率下的尺寸,是直流直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)。為了避免這種困難,通過利用所處的壓電效應(yīng),利用壓電諧振器在振動(dòng)模式下代替電模存儲(chǔ)能量。

即使使用采購計(jì)劃在效率和功率密度方面改進(jìn)了電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì),也需要有一個(gè)更準(zhǔn)確的操作模型來調(diào)查非線性,同時(shí)評估其物理極限。

諧振器中的壓電效應(yīng)

壓電材料允許在機(jī)械和電氣領(lǐng)域之間的低損失耦合。這種耦合為電力轉(zhuǎn)換器提供了一種能量存儲(chǔ)機(jī)制,在理論上,它比磁元件所能達(dá)到的效率更高,功率更高。該壓電效應(yīng)使電路能夠電偶到機(jī)械諧振器,而機(jī)械諧振器的質(zhì)量因數(shù)Q的一些數(shù)量超出了離散電容器和電感器所能實(shí)現(xiàn)的。對于一般的諧振器,高Q表示能量損失率較低,這意味著振蕩的消失速度較慢。

PRS的特征是以K表示的優(yōu)勢圖 2 Q M 當(dāng)K是機(jī)電耦合系數(shù)時(shí),它指定給定振動(dòng)模式下的電氣和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換效率 M 是機(jī)械質(zhì)量因素。耦合系數(shù)等于耦合的壓電能比, M ,對于存儲(chǔ)的彈性能的幾何平均值, e ,以及電能, D ,就是這樣,凱。PR的性能可以根據(jù)材料、振動(dòng)模式、幾何尺寸、電極圖案、機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)和電觸點(diǎn)而改變。

等效電路模型(巴特沃斯Van-DYE或BVD模型)將壓電諧振器在其機(jī)械共振附近的電響應(yīng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)簡單的電路,該電路由一系列RLC運(yùn)動(dòng)分支組成,與輸入電容c并行。 0 ,由電極形成,參見圖1,其中的阻抗和。還顯示了頻率。

圖1:電壓共振器的BVD等效電路模型和阻抗

BVVD電路顯示低阻抗串聯(lián)共振(F r )由運(yùn)動(dòng)分支共振和高阻抗平行共振(F 元素元素 )由運(yùn)動(dòng)分支與電容c共振 0 .在F區(qū)之間的B區(qū),PR表現(xiàn)出歸納行為。 r 和f 元素元素 頻率;這一區(qū)域在電力轉(zhuǎn)換中很重要,因?yàn)楦袘?yīng)負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開關(guān)(ZDH)。

BVD型號(hào)的準(zhǔn)確性

BVD模型是從對其阻抗的小信號(hào)測量中推導(dǎo)出來的,并不能完全捕捉到諧振器的行為。首先,C 0 分支假設(shè)沒有介電損耗,因此,更現(xiàn)實(shí)地,改進(jìn)的BVD(MBVD)電路與串聯(lián)電阻R 0 是必要的。此外,共振子可以顯示次級的、低耦合的共振,稱為假模式,用額外的LCR分支描述。由于實(shí)際的示威者已經(jīng)達(dá)到了更高的功率密度,效率已經(jīng)開始偏離BVD模型所預(yù)測的性能。高功率密度為1.01千瓦/厘米 3 以493千赫計(jì)?直流直流變換器在一個(gè)徑向PZT(鉛鋯鈦酸酯)諧振腔中記錄了一個(gè)壓電諧振腔,該諧振腔在12瓦下工作,從275伏到150伏。

在此操作點(diǎn)上,基于諧振腔的K和Q,變換器的理論效率為98.2%。 M .該轉(zhuǎn)換器在低電壓和低功率下接近這個(gè)建模的效率標(biāo)記,但在最高功率操作點(diǎn)效率降至93.3%。這些偏差表明,非線性效應(yīng)的發(fā)生,阻礙了小信號(hào)諧振器特性的精確建模大信號(hào)性能。觀測密度為1.01千瓦/厘米 3 比其他最近的壓電原型大幅度增加:148瓦/厘米 3 , 176.8 W/cm 3 , and 128 W/cm 3 .

溫度如何影響

壓電材料中的居里溫度代表最高操作溫度限制。PZT和LN的居里溫度?LI?Nb?O 3 )分別為320℃和1,150℃。由于性能退化可能在更低的溫度下發(fā)生,供應(yīng)商通常將最高運(yùn)行溫度設(shè)置在居里溫度的一半。另外,兩個(gè)K 2 和Q M 隨著溫度上升而減少。

斯坦福大學(xué)的一些研究人員在2024年亞太經(jīng)合組織會(huì)議上指出 1 ,K 2, 和Q M 在PZT共振器中,從25℃到150℃分別降低25%和80%。相反,k 2 保持常數(shù)和Q M 低氮材料僅減少21%。

值得一提的是,LN諧振腔具有許多虛假模式,因此其Q M 適合于感應(yīng)帶中的最低電阻。高溫環(huán)境會(huì)引起偶極去極化的永久性破壞,這種影響可以通過在燃燒試驗(yàn)后測量諧振器的阻抗來監(jiān)測。但是ln設(shè)備沒有顯示出這種永久性的損壞。在功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用程序中,K值顯著下降 2 和Q M 對于較低的居里溫度諧振器,轉(zhuǎn)化為更低的效率,要求謹(jǐn)慎的熱處理。

電壓偏置效應(yīng)

壓電材料表現(xiàn)出一種獨(dú)特的特性:當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力或電場的影響時(shí),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致微觀域的重新定位。這些區(qū)域可以可視化為材料內(nèi)部的區(qū)域,極化方向以特定的方式排列。這些域的切換在材料的壓電響應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。在某些變換器拓?fù)渲?PR必須在直流偏置下工作,當(dāng)電場接近材料強(qiáng)制場時(shí),這一要求會(huì)迫使材料顯示非線性行為。強(qiáng)制場是一種壓電材料在進(jìn)行去極化之前所能承受的最大電場,從而使其基本性質(zhì)受到損失。直流偏置會(huì)影響某些參數(shù)比如頻率,輸出功率,效率,是非常重要的處理所有拓?fù)涠鄠€(gè)諧振器匹配。

本文評價(jià)了穩(wěn)態(tài)偏差對諧振腔頻率響應(yīng)的影響。在1777PZT諧振腔上應(yīng)用正電壓偏置時(shí),我們觀察到耦合減少和偽散模式轉(zhuǎn)移到較低頻率。如果應(yīng)用負(fù)偏置,阻抗曲線向上移動(dòng)。LN共振器具有較高的強(qiáng)制場。PZT,所以只記錄了阻抗的微小變化。

大信號(hào)分析

在外部耦合器和功率放大器的幫助下,用來自歐米克龍實(shí)驗(yàn)室的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了大信號(hào)測量。當(dāng)繪制PZT諧振器的阻抗時(shí) Pzt 在不同功率水平下,高功率時(shí)留下的串聯(lián)諧振頻率轉(zhuǎn)移和共振質(zhì)量因數(shù)降低導(dǎo)致非線性。一個(gè)有趣的測量包括繪制z的幅值和實(shí)部 Pzt 以一個(gè)頻率增加功率。在54個(gè)數(shù)據(jù)基上,兩個(gè)值的增加最終導(dǎo)致66個(gè)數(shù)據(jù)基上的故障,電流密度超過0.03A/mm 2 .

對于LN諧振腔,與PZT不同的是,從低功率到高功率的單頻脈沖顯示阻抗幅 Pzt 相等于雷人(Z) Pzt )作為權(quán)力的函數(shù)而增加。第一次掃描并沒有導(dǎo)致材料失效(裂紋),而是產(chǎn)生了無損的弧形。降低阻抗,使其有足夠的電流在57dbm時(shí)引發(fā)Ln破壞性失效,電流密度超過0.58A/mm 2 .

總之,當(dāng)測試失敗時(shí),功率增加導(dǎo)致Q M PZT和LN的衰減、阻抗變化、PZT中伴隨電壓和電流波形的變形。由于使用pp的電力轉(zhuǎn)換器是在不同的條件下運(yùn)行的,包括溫度范圍、電壓偏差和功率水平,不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng),這是必須適當(dāng)處理的,以不損害轉(zhuǎn)換器的性能。