Modelowanie obwodowe transformatora piezoelektrycznego w warunkach podwyższonych napięć i temperatur

• Autorzy: Tomalczyk K.

Warianty tytułu

EN

Circuit modeling of a piezoelectric transformer under elevated voltage and temperature conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł dotyczy modelowania obwodowego transformatorów piezoelektrycznych (PT) przy napięciach i temperaturach zbliżonych do panujących w rzeczywistych warunkach ich pracy. Typowe metody modelowania PT wykorzystują obwód zastępczy o stałych parametrach wyznaczanych przy niskim napięciu i temperaturze. W artykule potwierdzony został wpływ zarówno amplitudy napięcia wejściowego, jak i temperatury, na charakterystyki przejściowe PT. Aby uwzględnić stwierdzone zależności przy modelowaniu obwodowym PT, opracowana została metoda korekcji parametrów modelu PT uwzględniająca zmiany ich wartości w funkcji temperatury i napięcia wejściowego. Metoda ta pozwala uzyskać dużo lepszą zgodność wyników symulacji obwodowych z wynikami pomiarowymi w warunkach podwyższonych napięć i temperatur.

EN

The paper refers to circuit modeling of piezoelectric transformers (PTs) operating under elevated voltage and temperature conditions. A PT is a resonant mechanical converter of electrical energy. Its characteristics (Fig. 1) are modeled by an equivalent circuit (Fig. 2) whose parameters are typically determined under low-voltage and low-temperature conditions and remain constant regardless of the model application. This approach is possibly erroneous due to the known temperature dependency and nonlinearities of piezoelectric materials. The temperature- and voltage-dependent variation of PT model parameters (Fig. 3) was determined by means of time domain measurements, which contrary to the widely used impedance analysis, allows high input voltages. A method for correction of the model parameters was established. Furthermore, the PT transfer characteristics were measured (Figs. 4 and 5) and compared to simulation results with and without the parameter correction (Fig. 6), showing considerable improvement in modeling accuracy with the new method applied.

Słowa kluczowe

PL

transformator piezoelektryczny; nieliniowość; modelowanie obwodowe; symulacja SPICE

EN

piezoelectric transformer; nonlinearity; circuit modeling; SPICE simulation

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 57, nr 10
• Strony: 1206--1209
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wyk

Twórcy

autor

Tomalczyk K.

• Politechnika Łódzka, Instytut Elektroniki, ul. Wólczańska 211/215, 90-924 Łódź,

Bibliografia

• [1] Bove T., Wolny W., Ringgaard E., Brebol K.: New Type of Piezoelectric Transformer With Very High Power Density, 12th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, pp. 321-324, 2000.
• [2] Brebol K.: Piezoelectric Transformer, U. S. Patent 6,707,235, 2004.
• [3] Ferroperm Piezoceramics, High quality components and materials for the electronic industry, www.ferroperm-piezo.com
• [4] Fung S. W., Pong M. H.: An Improved Model for Rosen Type Piezoelectric Transformer for power converter, 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, 2004.
• [5] Joo H. W. et al.: Analysis of Temperature Rise for Piezoelectric Transformer Using Finite-Element Method, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 53, No. 8, August 2006.
• [6] Lin Ch.: Design and Analysis of Piezoelectric Transformer Converters - PhD thesis,Virginia Polytechnic Institute and State University, 1997.
• [7] Lin Ch. H. et al.: Eliminating the Temperature Effect of Piezoelectric Transformer in Backlight Electronic Ballast by Applying the Digital Phase-Locked-Loop Technique, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 2, April 2007.
• [8] Loyau V. et al.: Analyses of the Heat Dissipated by Losses in a Piezoelectric Transformer, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 56, No. 8, August 2009.
• [9] Oliver J. A. et al.: 1D Modeling of Multi-layer piezoelectric transformers, IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference (PESC), vol. 4 , pp. 2097-2102, June, 2001.
• [10] Ozeri S., Shmilovitz D.: Piezoelectric Transformers Model Parameters Extraction based on Time domain Measurements, 21st Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1565-1569, March, 2006.
• [11] Ozeri S., Shmilovitz D.: A Time Domain Measurements of Piezoelectric Transformers Equivalent Circuit Parameters, IEEE International Conference on Circuits and Systems, pp. 2281-2284, May 2006.
• [12] Priya S. et al.: High Power Universal Piezoelectric Transformer, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 53, No. 4, April 2006.
• [13] Rosen C. A.: US Patent 2,974,296, 1961.
• [14] Szalewski M.: Pomiar strat elektrycznych i mechanicznych w ceramice piezoelektrycznej z zastosowaniem transformatora piezoelektrycznego, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa 2005.
• [15] Tomalczyk K., Chalczyński M., Więcek B.: Thermomechanical analysis of piezoelectric transformers, 14th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry THERMO 2005, Budapeszt, Węgry, 22-24 czerwca 2005, 2005.
• [16] Tomalczyk K., Więcek B.: Thermal analysis and thermographic measurements of piezoelectric transformers, 8th Conference on Quantitative InfraRed Thermography QIRT 2006, Padova, Włochy, Materiały konferencyjne CD 28-30 czerwca 2006, 2006.
• [17] Tomalczyk K., Więcek B.: Modelowanie transformatora piezoelektrycznego z uwzględnieniem samonagrzewania, Pomiary Automatyka Kontrola, Miesięcznik Naukowo-Techniczny, nr 11/2009, 2009, str. 973-976.
• [18] Tomalczyk K.: Analiza i badania transformatora piezoelektrycznego w warunkach samonagrzewania, rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, Łódź 2011.