基于陶瓷匹配网络的压电变压器无电感驱动研究

The distinct advantages of piezoelectric transformers, which include high power density, low loss, simple structure and no electromagnetic interference, make them attractive for miniaturization of switching power supplies. But an additional inductor is needed to compensate for the input capacitance to improve the driving efficiency, limiting its miniaturization capability. In this project, piezoelectric inductor and piezoelectric filter are proposed to construct the piezoelectric matching network, aiming to realize the inductorless actuation of the piezoelectric transformer. The tuning matching and zero voltage switching (ZVS) process of the driving scheme will be studied in depth, and the main contents include: 1) Modeling the piezoelectric transformer driving system with the piezoelectric network via equivalent circuit, analyzing the judging criteria of ZVS during the inductorless actuation process, and then determining the design principles of the piezoelectric network. 2) Analysis of the formation conditions and influence factors of the piezoelectric inductor based on the electromechanical coupling dynamics model, and then providing guidance for its structural design combined with the design principles of the piezoelectric network. 3) Developing a prototype of piezoelectric transformer-based inductorless actuation system, conducting the tests of tuning matching, ZVS process and evaluation of the system efficacy, and summarizing related theories and analysis methods. This project expects to provide theoretical methods for the research of inductorless piezoelectric transformer-based miniaturized power supply.

压电变压器功率密度高、损耗低且无电磁干扰，是开关电源微型化发展的关键器件。但其驱动时需要附加电感补偿输入端电容以提高驱动效率，限制了其微型化。本项目拟提出压电电感与压电滤波器构建陶瓷匹配网络，实现压电变压器无电感驱动，并深入研究该驱动方案的调谐匹配与零电压开关过程，具体内容包括：1）基于陶瓷网络的机电等效电路建立压电变压器驱动系统模型，结合软开关原理分析无电感驱动时实现零电压开关的判定条件以及陶瓷网络的设计准则；2）采用机电耦合动力学模型分析压电电感的形成条件及影响因素，结合陶瓷网络的设计准则为其结构设计提供指导；3）研制压电变压器无电感驱动系统样机，进行调谐匹配与零电压开关测试以及系统功效评估，总结相关理论与分析方法，为压电变压器型微小功率电源的研究提供理论支撑。

本项目通过深入研究基于陶瓷匹配网络的压电变压器无电感驱动的调谐匹配与零电压开关过程，为压电变压器的低温升、高效率应用奠定了基础。研究内容主要包括：1）建立陶瓷匹配网络与压电变压器的机电等效模型，探索系统的能耗分布，并基于压电变压器的传输效率问题提出一种新型的热管理方案；2）建立陶瓷网络的机电耦合动力学模型，分析压电电感的形成机理及影响因素，为陶瓷网络的设计和使用提供理论指导；3）研制能够实现容性阻抗自补偿的无电感型压电变压器系统样机。在此基础上我们还进行了一系列拓展深入研究，具体内容包括：1）基于压电电感现象的温度自感知系统及应用；2）单层可调升压比压电变压器制作与研究；3）压电自感知振动抑制研究。由于项目目标明确，加上课题组具有良好的研究基础，本项目执行顺利，并取得了一系列的创新性成果。截止目前，以项目负责人为第一作者或通讯作者共发表项目资助的SCI收录期刊论文5篇（含1篇共一），EI收录会议论文1篇。这些论文包括工程技术领域权威期刊Smart materials and structures 2篇（含1篇已录用，待收录），IEEE旗下期刊IEEE Access 1篇，期刊Entropy 2篇，EI收录会议论文为参加2019（第14届）全国压电和声波理论及器件应用研讨会（SPAWDA）时所发表。另外，还有1篇研究成果正在审稿中，投稿期刊Sensors and Actuators（已大修返回）。以项目负责人为第一发明人，共申请发明专利6项，已授权3项，进入实审3项。