圧電振動モードを利用した新しい周波数変換器の紹介

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11009 (2023) この記事を引用

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周波数の変換は、先端技術の多くの分野で必要とされます。 周波数変換には通常、「電気回路」または「結合されたモーターと発電機」が使用されます。 この記事では、圧電トランス (PT) と同様のアイデアを使用した、新しい圧電周波数コンバータ (PFC) を紹介します。 PFC は、一緒に押し込まれる入力および出力要素として 2 つの圧電ディスクを使用します。 これら 2 つの要素の間には共通の電極があり、反対側には入力と出力の 2 つの電極があります。 入力ディスクが面外モードで強制的に振動すると、出力ディスクは半径方向モードで振動します。 異なる入力周波数を適用すると、異なる出力周波数が得られます。 ただし、入出力周波数は圧電素子の面外モードと半径方向モードに制限されます。 したがって、必要なゲインを得るには、適切なサイズの圧電ディスクを使用する必要があります。 シミュレーションと実験により、このメカニズムが予測どおりに機能し、その結果がよく一致していることが示されました。 選択した圧電ディスクの場合、最低ゲインでは周波数が 61.9 kHz から 118 kHz に増加し、最高ゲインでは周波数が 3.7 kHz から 51 kHz に増加します。

圧電素子は、数十年前から変圧器 (PT) の製造に使用されてきました。 PT は機械振動を介して電圧を伝達し、電圧を増加または減少させます。 これらのトランスは通常、入力ポートと出力ポートとして 2 つの圧電素子で構成されます。 入力された圧電ディスクが共振周波数で励振され、出力素子から出力電圧が得られます。 適切な設計を行うことで、入力電圧と出力電圧の望ましい比率を得ることができます。 ローゼンは 1954 年に初めて PT を導入しました1。その後、形状、モデリング、効率改善など、さまざまな PT について多くの研究が行われました。

PT は、ローゼン振動モード、厚み振動モード、ラジアル振動モードの 3 つの主なタイプに分類されます。 ローゼン型トランスは入力部が長手方向、出力部が厚み方向となっており、通常昇圧トランスとして使用されます2。 厚み振動モード PT は 1990 年代に日本の NEC によって開発されました。 ラジアル モード デバイスはディスクまたはリングの形状をしており、ラジアル共振に近い周波数で動作します。 ラジアルモードデバイスのさまざまな構成が提案されていますが、その中でラジアルモードトランスがおそらく最もよく知られています3。 ラジアル モード トランスは、アップ コンバータおよびダウン コンバータでの使用に適しており、蛍光灯安定器 4 からラップトップ電源 5 まで、幅広い用途で使用されています。

ラジアルモード振動に最も密接に対応する結合係数は kp です。 これは、ラジアル モード PT が高い電力密度を達成するのに役立ちます。 ラジアルモード変圧器は 100 W を超える電力レベルで提供されており、さらなる開発により 200 W を超えると予想されています6。

PT は、それぞれ異なる周波数を持つ多くの可能な振動モードで動作できます。 ただし、各 PT トポロジには、最適なエネルギー伝達を可能にする最適な振動モードがあります。 圧電トランスの最適な振動モードは、通常、電気機械結合が最も高く、損失が最も低いモードです7。

電磁トランスと比較した PT の利点には、より高い電力密度、電磁ノイズの欠如、共振モードでのより高い効率、シンプルさ、小型サイズ、不燃性、およびより単純な製造プロセスが含まれます。 PT は共振周波数の高い周波数で動作するため、圧電材料は高い機械的品質係数と低い誘電損失を同時に備えている必要があります8。

1992 年、修ら。 は、PbTiO3 からなる新しいタイプの多層 PT を導入しました。 彼らの目標は、スイッチング電源に使用することでした。 振動モードは厚み方向でした。 電気機械等価回路は 90% 以上の効率を示しました。 彼らはデバイスを作成し、実験的に評価しました。 その結果、スプリアス振動が少なく、周波数 2 MHz で良好な共振特性が得られたことがわかりました。 また、PT はスプリアス振動なしで 16 W/cm.s の電力密度を生成しました。 最終的に、この PT9 を使用して高出力クラス E スイッチング電源を作成しました。