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)換器設計中的一大挑戰(zhàn)。為了避免這種困難,通過利用所處的壓電效應,利用壓電諧振器在振動模式下代替電模存儲能量。

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

諧振器中的壓電效應

壓電材料允許在機械和電氣領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機制,在理論上,它比磁元件所能達到的效率更高,功率更高。該壓電效應使電路能夠電偶到機械諧振器,而機械諧振器的質(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K是機電耦合系數(shù)時,它指定給定振動模式下的電氣和機械能之間的轉(zhuǎn)換效率 M 是機械質(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、振動模式、幾何尺寸、電極圖案、機械安裝結構和電觸點而改變。

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械共振附近的電響應轉(zhuǎn)換為一個簡單的電路,該電路由一系列RLC運動分支組成,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 )由運動分支共振和高阻抗平行共振(F 元素元素 )由運動分支與電容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,因為感應負載能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開關(ZDH)。

BVD型號的準確性

BVD模型是從對其阻抗的小信號測量中推導出來的,并不能完全捕捉到諧振器的行為。首先,C 0 分支假設沒有介電損耗,因此,更現(xiàn)實地,改進的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。由于實際的示威者已經(jīng)達到了更高的功率密度,效率已經(jīng)開始偏離BVD模型所預測的性能。高功率密度為1.01千瓦/厘米 3 以493千赫計?直流直流變換器在一個徑向PZT(鉛鋯鈦酸酯)諧振腔中記錄了一個壓電諧振腔,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建模的效率標記,但在最高功率操作點效率降至93.3%。這些偏差表明,非線性效應的發(fā)生,阻礙了小信號諧振器特性的精確建模大信號性能。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,供應商通常將最高運行溫度設置在居里溫度的一半。另外,兩個K 2 和Q M 隨著溫度上升而減少。

斯坦福大學的一些研究人員在2024年亞太經(jīng)合組織會議上指出 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 適合于感應帶中的最低電阻。高溫環(huán)境會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后測量諧振器的阻抗來監(jiān)測。但是ln設備沒有顯示出這種永久性的損壞。在功率轉(zhuǎn)換器應用程序中,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,要求謹慎的熱處理。

電壓偏置效應

壓電材料表現(xiàn)出一種獨特的特性:當受到機械應力或電場的影響時,其內(nèi)部結構會發(fā)生改變,從而導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中起著至關重要的作用。在某些變換器拓撲中,PR必須在直流偏置下工作,當電場接近材料強制場時,這一要求會迫使材料顯示非線性行為。強制場是一種壓電材料在進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撲多個諧振器匹配。

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

大信號分析

在外部耦合器和功率放大器的幫助下,用來自歐米克龍實驗室的矢量網(wǎng)絡分析儀進行了大信號測量。當繪制PZT諧振器的阻抗時 Pzt 在不同功率水平下,高功率時留下的串聯(lián)諧振頻率轉(zhuǎn)移和共振質(zhì)量因數(shù)降低導致非線性。一個有趣的測量包括繪制z的幅值和實部 Pzt 以一個頻率增加功率。在54個數(shù)據(jù)基上,兩個值的增加最終導致66個數(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 )作為權力的函數(shù)而增加。第一次掃描并沒有導致材料失效(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時引發(fā)Ln破壞性失效,電流密度超過0.58A/mm 2 .

總之,當測試失敗時,功率增加導致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行的,包括溫度范圍、電壓偏差和功率水平,不可避免地會產(chǎn)生非線性效應,這是必須適當處理的,以不損害轉(zhuǎn)換器的性能。