Внедрение нового преобразователя частоты, использующего моды пьезоэлектрических колебаний.

Dec 22, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11009 (2023) Цитировать эту статью

277 Доступов

Подробности о метриках

Преобразование частоты необходимо во многих областях передовых технологий. Для преобразования частоты обычно используются «электрические цепи» или «связанные двигатели и генераторы». В этой статье представлен новый пьезоэлектрический преобразователь частоты (ППЧ), использующий идею, аналогичную пьезоэлектрическим преобразователям (ПТ). PFC использует два пьезоэлектрических диска в качестве входного и выходного элементов, которые сдвинуты вместе. Между этими двумя элементами имеется общий электрод и два входных и выходных электрода с другой стороны. Когда входной диск вынужден вибрировать в режиме вне плоскости, выходной диск вибрирует в радиальном режиме. Применяя разные входные частоты, можно получить разные выходные частоты. Однако входные и выходные частоты ограничены внеплоскостными и радиальными режимами пьезоэлектрического элемента. Поэтому для получения необходимого усиления следует использовать пьезоэлектрические диски подходящего размера. Моделирование и эксперименты показывают, что механизм работает так, как предсказывалось, и их результаты хорошо согласуются. Для выбранного пьезоэлектрического диска наименьшее усиление увеличивает частоту с 61,9 до 118 кГц, а максимальное усиление увеличивает частоту с 3,7 до 51 кГц.

Пьезоэлектрические элементы используются для изготовления трансформаторов напряжения (ПТ) уже несколько десятилетий назад. ПТ передают напряжение посредством механической вибрации и увеличивают или уменьшают его. Эти трансформаторы обычно состоят из двух пьезоэлектрических элементов в качестве входных и выходных портов. Входной пьезоэлектрический диск возбуждается на резонансной частоте, а выходное напряжение получается с выходного элемента. Желаемое соотношение входного и выходного напряжений можно получить при правильном проектировании. Розен впервые представил ПТ в 1954 году1. После этого было проведено множество исследований различных ПТ, включая геометрию, моделирование и повышение эффективности.

PT подразделяются на три основных типа: режим вибрации Розена, режим вибрации по толщине и режим радиальной вибрации. В трансформаторе типа Розена входная часть расположена в продольном направлении, а выходная — в направлении толщины, и этот тип ПТ обычно используется в качестве трансформатора, повышающего напряжение2. PT с режимом вибрации по толщине были разработаны японской компанией NEC в 1990-х годах. Устройства радиального режима имеют дисковую или кольцевую форму и работают на частоте, близкой к радиальному резонансу. Были предложены различные конструкции устройства радиальной моды, из которых, вероятно, самым известным является трансформатор радиальной моды3. Трансформаторы радиального режима подходят для использования в повышающих и понижающих преобразователях и применяются в широком спектре применений: от балластов люминесцентных ламп4 до источников питания ноутбуков5.

Коэффициент связи, который наиболее точно соответствует вибрации радиальной моды, равен kp. Это помогает трансформаторам радиального режима достичь высокой плотности мощности. Трансформаторы радиального режима предлагаются с уровнями мощности более 100 Вт, и ожидается, что в ходе дальнейшего развития они превысят 200 Вт6.

ПТ могут работать во многих возможных режимах вибрации, каждый из которых имеет разную частоту. Однако каждая топология ПТ имеет оптимальный режим вибрации, обеспечивающий оптимальную передачу энергии. Оптимальным режимом вибрации для пьезоэлектрического преобразователя обычно является режим, имеющий наибольшую электромеханическую связь и наименьшие потери7.

Среди преимуществ ПТ по сравнению с электромагнитными трансформаторами — более высокая удельная мощность, отсутствие электромагнитных шумов, более высокий КПД в резонансном режиме, простота, малые габариты, негорючесть, упрощение производственного процесса. Поскольку ПТ работают на высокой частоте своей резонансной частоты, пьезоэлектрические материалы должны иметь высокую механическую добротность и одновременно низкие диэлектрические потери8.

В 1992 году Осаму и др. представила новый тип многослойного ФТ из PbTiO3. Их целью было использовать его для переключения источников питания. Режим вибрации был по толщине. Электромеханическая эквивалентная схема показала КПД более 90%. Они изготовили устройство и проверили его экспериментально. Результаты показали низкий уровень побочных вибраций, а также хорошие резонансные характеристики на частоте 2 МГц. Кроме того, ПТ обеспечивал плотность мощности 16 Вт/см∙с без побочных вибраций. Наконец, на основе этого PT9 они сделали мощный импульсный источник питания класса E.