DC-DC 컨버터의 압전 공진기: 현재 상태 및 한계

작은 부피와 높은 주파수에서 전력 밀도를 높이고 인덕터와 변압기의 크기를 줄이는 것은 DC-DC 컨버터 설계에서 큰 과제입니다. 이러한 어려움을 피하기 위해 압전 공진기(PR)는 기본 압전 효과를 활용하여 전기 모드 대신 진동 모드로 에너지를 저장하는 데 사용되었습니다.

PR을 사용하여 효율성 및 전력 밀도 측면에서 전력 변환기 설계가 개선되었더라도 물리적 한계 평가와 함께 비선형성을 조사하려면 보다 정확한 작동 모델이 필요합니다.

"DC-DC 변환기용 압전 공진기의 비선형 손실 및 재료 한계"라는 제목의 논문이 2024년 2월 IEEE Applied Power Electronics 컨퍼런스 및 박람회에서 발표되었습니다. 이 작업에서 저자는 압전 재료의 매혹적인 세계를 탐구하고 비선형 거동 및 재료 제약.

공진기의 압전 효과

압전 재료는 기계 영역과 전기 영역 사이의 저손실 결합을 허용합니다. 이 커플링은 자기 부품으로 달성할 수 있는 것보다 이론적으로 더 효율적이고 전력 밀도가 높은 전력 변환기용 에너지 저장 메커니즘을 제공합니다. 압전 효과를 통해 회로는 개별 커패시터 및 인덕터에 의해 실현될 수 있는 것보다 몇 배 더 높은 품질 계수 Q를 가질 수 있는 기계적 공진기에 전기적으로 결합될 수 있습니다. 일반 공진기의 경우 높은 Q는 에너지 손실률이 낮다는 것을 의미하며, 이는 진동이 덜 빠르게 사라지는 것을 의미합니다.

PR은 k 2 Q M 으로 표현되는 성능 지수를 특징으로 합니다. 여기서 k는 주어진 진동 모드에 대한 전기 에너지와 기계 에너지 간의 변환 효율을 지정하는 전기 기계 결합 계수이고 Q M 은 기계적 품질 계수입니다. 결합 계수는 결합된 압전 에너지 U m 과 저장된 탄성 에너지 U e 와 전기 에너지 U d , 즉 k 의 기하 평균값의 비율과 같습니다. PR의 성능은 재료, 진동 모드, 기하학적 치수, 전극 패턴, 기계적 장착 구조 및 전기 접점에 따라 달라질 수 있습니다.

등가 회로 모델(Butterworth Van-Dyke 또는 BVD 모델)은 기계적 공진 근처의 압전 공진기의 전기적 응답을 전극에 의해 형성된 입력 커패시턴스 C 0 와 병렬인 직렬 RLC 운동 분기로 구성된 간단한 회로로 변환합니다(그림 참조). 그림 1에는 임피던스 대 주파수도 표시되어 있습니다.

그림 1: BVD 등가 회로 모델 및 압전 공진기의 임피던스

BVD 회로는 운동 분기 공진으로부터 낮은 임피던스 직렬 공진(fr)을 나타내고, 커패시턴스 C 0 와 공진하는 운동 분기로부터 높은 임피던스 병렬 공진(f ar ) 을 나타 냅니다 . PR은 f r 과 f r 주파수 사이의 영역 B에서 유도성 동작을 나타냅니다. 유도 부하가 제로 전압 스위칭(ZVS)을 가능하게 하기 때문에 이 영역은 전력 변환에서 중요합니다.

BVD 모델의 정확도

임피던스의 소신호 측정에서 파생된 BVD 모델은 공진기의 동작을 완전히 포착하지 못합니다. 첫째, C 0 분기에서는 유전 손실이 없다고 가정하므로 보다 현실적으로 직렬 저항 R 0 이 있는 수정된 BVD(MBVD) 회로가 필요합니다. 또한 공진기는 추가 LCR 분기로 설명되는 스퓨리어스 모드라고 하는 2차 저결합 공진을 나타낼 수 있습니다. 실제 시연자가 더 높은 전력 밀도에 도달함에 따라 효율성은 BVD 모델에서 예측한 성능에서 벗어나기 시작했습니다. 압전 공진기를 갖춘 DC-DC 컨버터 에서 493kHz에서 1.01kW/cm 3 라는 인상적인 높은 전력 밀도가 12W에서 275V ~ 150V에서 작동하는 방사형 PZT(납 지르코네이트 티타네이트) 공진기에서 기록되었습니다.

이 작동 지점에서 컨버터는 공진기의 k 및 QM을 기준으로 98.2%의 이론적 효율을 갖 습니다 . 컨버터는 더 낮은 전압 및 전력에서 이 모델링된 효율 표시에 접근하지만, 최고 전력 작동 지점에서는 효율이 93.3%로 떨어집니다. 이러한 편차는 소신호 공진기 특성화가 대신호 성능을 정확하게 모델링하는 것을 방해하는 비선형 효과가 발생함을 시사합니다. 관찰된 밀도 1.01 kW/cm 3 는 최근의 다른 압전 기반 프로토타입(148 W/cm 3 , 176.8 W/cm 3 및 128 W/cm 3 ) 에 비해 상당한 증가를 나타냅니다 .

온도가 PR에 미치는 영향

압전 재료의 퀴리 온도는 작동 온도의 최고 한계를 나타냅니다. PZT와 LN(리튬 니오베이트, Li Nb O 3 ) 의 퀴리 온도는 각각 320°C와 1,150°C입니다. 훨씬 낮은 온도에서는 성능 저하가 발생할 수 있으므로 공급업체는 최대 작동 온도를 퀴리 온도의 절반으로 설정하는 것이 관례입니다. 또한 k 2 와 Q M은 모두 온도가 증가함에 따라 감소합니다.

2024년 APEC 회의에서 스탠포드 대학의 일부 연구원이 보여준 것처럼 1 , k 2 및 QM 은 PZT 공진기에서 25°C에서 150°C까지 각각 25% 및 80% 감소합니다. 대조적으로, k 2 는 일정하게 유지되고 LN 물질에서는 Q M이 21%만 감소합니다.

LN 공진기는 많은 스퓨리어스 모드를 나타내므로 QM 은 유도 대역에서 가장 낮은 저항에 적합하다는 점을 언급할 가치가 있습니다 . 고온 환경은 쌍극자 탈분극으로 인해 영구적인 손상을 유발할 수 있으며 이 효과는 번인 테스트 후 공진기의 임피던스를 측정하여 모니터링할 수 있습니다. 그러나 LN 장치는 그러한 영구적인 열화를 나타내지 않았습니다. 전력 변환기 애플리케이션에서 더 낮은 퀴리 온도 공진기에 대한 k 2 및 Q M 의 현저한 감소는 낮은 효율성으로 해석되므로 주의 깊은 열 처리가 필요합니다.

전압 바이어스 효과

압전 재료는 독특한 특성을 나타냅니다. 기계적 응력이나 전기장을 받으면 내부 구조가 변형되어 미세한 영역의 방향이 재설정됩니다. 이러한 도메인은 편광 방향이 특정 방식으로 정렬되는 재료 내부 영역으로 시각화될 수 있습니다. 이러한 영역의 전환은 재료의 압전 반응에서 중요한 역할을 합니다. 일부 컨버터 토폴로지에서 PR은 DC 바이어스에서 작동해야 하며 이러한 요구 사항으로 인해 전기장이 재료 보자력장에 접근함에 따라 재료가 비선형 동작을 나타내게 될 수 있습니다. 보자력장은 압전 재료가 탈분극을 겪어 결과적으로 기본 특성이 손실되기 전에 견딜 수 있는 최대 전기장입니다. DC 바이어스는 주파수, 출력 전력 및 효율성과 같은 특정 매개변수에 영향을 미치며 일치시킬 여러 공진기가 있는 모든 토폴로지에서 처리하는 데 매우 중요합니다.

논문의 저자는 공진기 주파수 응답에 대한 정상 상태 바이어스의 영향을 평가했습니다. 1777 PZT 공진기에 양의 전압 바이어스가 적용되면 결합이 감소하고 스퓨리어스 모드가 더 낮은 주파수로 이동하는 것을 관찰할 수 있습니다. 음의 바이어스가 적용되면 임피던스 곡선이 위쪽으로 이동합니다. LN 공진기는 PZT에 비해 보자력장이 더 높으므로 임피던스의 작은 변화만 기록되었습니다.

대신호 분석

외부 커플러와 전력 증폭기를 사용하여 Omicron Lab의 벡터 네트워크 분석기 Bode 100을 사용하여 대규모 신호 측정을 수행했습니다. 서로 다른 전력 레벨에서 PZT 공진기(Z PZT ) 의 임피던스를 플롯할 때 직렬 공진 주파수는 고전력에서 왼쪽으로 이동하고 공진 시 품질 계수가 저하되어 비선형성이 발생합니다. 흥미로운 측정은 단일 주파수에서 진폭과 Z PZT 의 실제 부분을 플로팅하고 전력을 증가시키는 것으로 구성됩니다. 54dBm에서 두 값의 증가가 발생하여 결국 0.03A/mm 2 이상의 전류 밀도로 66dBm에서 오류가 발생합니다 .

PZT와 달리 LN 공진기의 경우 낮은 전력에서 높은 전력으로 스윕되는 단일 주파수 펄스는 임피던스 진폭 │Z PZT │가 일정하게 유지되는 반면 Re(Z PZT )는 전력의 함수로 증가한다는 것을 보여줍니다. 첫 번째 스윕은 재료의 파손(균열)으로 이어지지 않았지만 비파괴적인 아크를 생성했습니다. 임피던스를 낮추면 전류 밀도가 0.58A/mm 2 를 초과하는 57dBm에서 LN의 파괴적인 오류를 유발할 만큼 충분한 전류가 허용됩니다 .

결론적으로, 실패 테스트 시 전력 증가로 인해 QM 저하 , PZT와 LN 모두의 임피던스 변화, PZT의 전압 및 전류 파형 왜곡이 발생했습니다. PR을 사용하는 전력 변환기는 온도 범위, 전압 바이어스 및 전력 수준을 포함한 다양한 조건에서 작동하므로 비선형성 효과가 발생하는 것은 불가피하며 변환기 성능을 저하시키지 않도록 적절하게 해결해야 합니다.