Introduzione di un nuovo convertitore di frequenza che utilizza modalità di vibrazione piezoelettrica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11009 (2023) Citare questo articolo

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La conversione della frequenza è necessaria in molti campi della tecnologia avanzata. Per la conversione di frequenza vengono solitamente utilizzati “circuiti elettrici” o “motori e generatori accoppiati”. Questo articolo presenta un nuovo convertitore di frequenza piezoelettrico (PFC), utilizzando un'idea simile ai trasformatori piezoelettrici (PT). Il PFC utilizza due dischi piezoelettrici come elementi di ingresso e di uscita che vengono spinti insieme. C'è un elettrodo comune tra questi due elementi e due elettrodi di ingresso e uscita sugli altri lati. Quando il disco di ingresso è costretto a vibrare in modalità fuori piano, il disco di uscita vibra in modalità radiale. Applicando frequenze di ingresso diverse si possono ottenere frequenze di uscita diverse. Tuttavia, le frequenze di ingresso e uscita sono limitate alle modalità fuori piano e radiale dell'elemento piezoelettrico. Pertanto, per ottenere il guadagno necessario, è necessario utilizzare dischi piezoelettrici della dimensione corretta. La simulazione e gli esperimenti mostrano che il meccanismo funziona come previsto e i loro risultati sono in buon accordo. Per il disco piezoelettrico scelto, il guadagno più basso aumenta la frequenza da 61,9 a 118 kHz, mentre il guadagno più alto aumenta la frequenza da 3,7 a 51 kHz.

Gli elementi piezoelettrici sono stati utilizzati per realizzare trasformatori di tensione (PT) già da alcuni decenni. I PT trasmettono la tensione tramite vibrazioni meccaniche e la aumentano o diminuiscono. Questi trasformatori sono solitamente costituiti da due elementi piezoelettrici come porte di ingresso e uscita. Il disco piezoelettrico di ingresso è eccitato alla frequenza di risonanza e la tensione di uscita è ottenuta dall'elemento di uscita. Il rapporto desiderabile tra tensioni di ingresso e di uscita può essere ottenuto con una progettazione adeguata. Rosen introdusse per la prima volta il PT nel 19541. Successivamente furono condotte molte ricerche su diversi PT, tra cui geometria, modellazione e miglioramento dell'efficienza.

I PT sono classificati in tre tipi principali: Rosen, modalità di vibrazione a spessore e modalità di vibrazione radiale. Nel trasformatore di tipo Rosen, la parte di ingresso è nella direzione longitudinale e l'uscita è nella direzione dello spessore, e questo tipo di PT viene solitamente utilizzato come trasformatore elevatore di tensione2. I PT in modalità vibrazione dello spessore sono stati sviluppati dalla NEC del Giappone negli anni '90. I dispositivi in ​​modalità radiale sono a forma di disco o di anello e funzionano a una frequenza vicina alla risonanza radiale. Sono state proposte varie soluzioni per il dispositivo in modo radiale, di cui il trasformatore in modo radiale è probabilmente il più noto3. I trasformatori in modalità radiale sono adatti per l'uso nei convertitori up e down e sono stati utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, dai reattori per lampade fluorescenti4 agli alimentatori per laptop5.

Il fattore di accoppiamento che più corrisponde alla vibrazione in modo radiale è kp. Ciò aiuta i PT in modalità radiale a raggiungere un'elevata densità di potenza. I trasformatori in modalità radiale sono stati offerti a livelli di potenza superiori a 100 W e si prevede che supereranno i 200 W attraverso ulteriori sviluppi6.

I PT possono operare in molte possibili modalità vibrazionali, ciascuna con una frequenza diversa. Tuttavia, ciascuna topologia PT dispone di una modalità di vibrazione ottimale che consente un trasferimento di energia ottimale. La modalità di vibrazione ottimale per un trasformatore piezoelettrico è solitamente quella che presenta l'accoppiamento elettromeccanico più elevato e la perdita più bassa7.

Tra i vantaggi dei PT rispetto ai trasformatori elettromagnetici vi sono una maggiore densità di potenza, assenza di rumore elettromagnetico, maggiore efficienza in modalità risonante, semplicità, dimensioni ridotte, non infiammabilità e processo di produzione più semplice. Poiché i PT funzionano ad una frequenza elevata nella loro frequenza di risonanza, i materiali piezoelettrici dovrebbero avere un elevato fattore di qualità meccanica e allo stesso tempo una bassa perdita dielettrica8.

Nel 1992, Osamu et al. ha introdotto un nuovo tipo di PT multistrato costituito da PbTiO3. Il loro obiettivo era usarlo per commutare gli alimentatori. La modalità di vibrazione era lungo lo spessore. Il circuito equivalente elettromeccanico ha mostrato un'efficienza superiore al 90%. Hanno realizzato il dispositivo e lo hanno valutato sperimentalmente. I risultati hanno mostrato basse vibrazioni spurie nonché buone caratteristiche di risonanza alla frequenza di 2 MHz. Inoltre, il PT ha prodotto una densità di potenza di 16 W/cm.s senza vibrazioni spurie. Infine, hanno realizzato un alimentatore switching di classe E ad alta potenza utilizzando questo PT9.