基于压电负载的动态无级调压控制电路实现.pdf

8 2023中国家电科技年会论文集0 引言压电驱动具有输出力矩大，功耗低等优点。其驱动电路对体积、功能的需求也越来越高。除了用于接触式感应器外1，也用在CPU系统散热2、大功率LED主动散热装置3等领域，往往都不具备动态调压功能，且大都采用高压运放型或全桥逆变输出，体积和输出电压难以突破；压电负载的工作特性与驱动电源性能密切相关，研究人员常常使用压电陶瓷的等效静态电容作为负载来设计电路4，实际其等效电容会随输入电压和温度的变化而变化5。因此具有自动调压功能的压电驱动电源显得尤为重要。本文提出了一种小型化、低成本的无级动态调压电源方案驱动压电负载，其调节范围宽，电应力小，在扰流场景具有较大应用价值潜力。1 整体方案说明基于压电负载驱动的控制电路框图见图1，输入U1为低压12 V，输出为高压交流信号，连接到压电负载二端（由固定端、压电材料和振动片组成，包括电极1、电极2）。在交变电场的作用下，压电材料与上面的振动片产生谐振，从而带动振动片左右摆动。其电路包括五个部分：作者简介：王慧锋（1986），男，硕士学位。毕业于广东工业大学。研究方向：主要从事空调硬件新功能研究。地址：广东美的家用空调事业部制冷研究院。E-mail：。基于压电负载的动态无级调压控制电路实现王慧锋 李玉 周宏明 余珍珍广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528000摘 要：压电陶瓷负载通过逆压电效应原理来工作，负载的驱动电压往往采用交流输出。通过改变交流输出的电压幅值，可以实现基于压电陶瓷的悬臂梁的摆动幅度控制，往往用于扰流、主动散热等工程领域。调幅控制若采用模拟挡位控制，会存在切换电流应力大，可选的摆幅有限，且成本较高。提出一种虚拟隔离的数字控制PWM占空比调节方法，通过控制母线电压反馈环路的电流大小，实现输出电压的无级调节，也解决了切换时电流应力大的问题。该方案实现了在12 V输入电压时，交流输出电压峰峰值可以在12 V430 V之间任意动态可调，成本较低，同时也对整体转换效率进行了分析。关键词：压电陶瓷负载；虚拟隔离；动态无级调压 Implementation of dynamic stepless voltage regulating control device based on piezoelectric loadWANG Huifeng LI Yu ZHOU Hongming YU Zhenzhen Guangdong Midea refrigeration equipment Co.,Ltd.Foshan 528000Abstract:Piezoelectric ceramic loads work through the principle of inverse piezoelectric effect,and the driving voltage of the load often adopts AC output.By changing the voltage amplitude of the AC output,the swing amplitude control of a cantilever beam based on piezoelectric ceramics can be achieved,often used in engineering fields such as turbulence and active heat dissipation.If analog gear control is used for amplitude modulation control,there will be high switching current stress,limited optional swing,and high cost.Proposes a virtual isolation digital controlled PWM duty cycle regulation method,which achieves stepless regulation of output voltage by controlling the current size of the bus voltage feedback loop,and also solves the problem of high current stress during switching.This scheme realizes that the peak to peak value of AC output voltage can be dynamically adjustable between 12 V and 430 V at 12 V input,with low cost,and also analyzes the overall conversion efficiency.Keywords:Piezoelectric ceramic;Virtual isolation;Dynamic stepless voltage regulation中图分类号：TB69 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.002 92023中国家电科技年会论文集（1）高压升压部分：通过输入DC12 V，输出高压直流，作为高压逆变的母线电压；（2）无级调压部分实现对输出电压调节；（3）MCU实现小信号的控制输出；（4）信号放大与滤波部分：对输入的方波小信号进行放大、低通滤波及输出耦合，连接负载二端；（5）电源转换部分给有源器件供电。2 硬件电路关键部分设计2.1 高压升压电路部分图2为高压电路拓扑部分设计。按照设计目标，输入电压：VDC 12 V10%；最大输入电流：0.5 A；最大输出电压：200 VDC；转换效率90%。图2 高压电路拓扑部分设计2.1.1 电感L1设计（1）选择专用升压控制芯片，5 V40 V宽输入，输出可扩展到400 V；（2）综合考虑电感的体积、母线纹波、温升等因素，选择频率在110 kHz比较合适；（3）电感量的选取根据BOOST电路的输入与输出关系：（1）电感二端的电压：（2）根据公式（1）、（2）推导得出：（3）（4）式中：V0为输出电压，Vin为输入电压，二极管正向压降VF取0.5 V，D为占空比，K为电流纹波系数，T为开关周期。根据计算结果综合实际情况，最终选择68 H、3.5 A饱和电流的电感。2.1.2 母线电容C1的选取设二次工频纹波全部被吸收，电压峰值5%，根据电容充放电功率守恒原则：（5）（6）由式（5）、（6）得到：（7）（8）考虑到电容的容量偏差及温度影响，最后选择10 F/300 V的铝电解电容。2.2 无级调压部分设计图3为无级调压拓扑，依据KCL定律：（9）根据公式（9）从而得到：（10）其中：VPWM=VccD；VFB与芯片相关，这里取1 V。图1 压电驱动电路框架图10 2023中国家电科技年会论文集最终选择：R0=402 k；Rb=2.2 k；Ra=9.06 k。3 控制方法设计3.1 控制方法方案采用脉宽调制（PWM）无级调压控制，通过一个比较器将一个三角波信号与一个参考电压进行比较，产生一个脉冲信号。参考电压较高，输出电压也会相应增加；参考电压较低，电源输出电压也会相应减小。通过控制脉冲信号的宽度和频率来调节输出电压。输出三角波频率可设在1 kHz到15 kHz之间。本方案三角波频率为10 kHz。PWM调节占空比为1。无极调压精度可控制在0.2 V。3.2 调节速率设定 （11）其中：Umax、Umin为输出母线电压最大值、最小值，Pmax、Pmin为输出占空比最大值、最小值，n为调节占空比步长。调节时间：（12）其中：Uo为输出目标母线电压，Uc当前母线电压。3.3 挡位划分将挡位分为启动挡位，设定挡位1、挡位2、挡位3、挡位4，停止挡位。本方案使用的是无极调压技术，根据设计需求，可以根据驱动载频和占空比设置更多挡位。3.4 时序控制和启动过程时序控制：为了防止在运行过程出现电压跌落或电流冲击，将控制过程分成以下几个阶段进行控制，见图4。启动过程：先启动延时T1时间使电源稳定，再开启开关电源，按照预设的母线电压（输入电压）启调制波进行输出；调节过程：包括挡位上升调节，挡位下降调节，挡位跳挡调节；停止过程：停止挡位切换，将母线电压降到停止挡位输出，然后关闭驱动器升压开关电源。4 实验仿真与实测结果验证分析4.1 实测结果在输入低压12 V，带载1 W压电负载情况下，测得的相关性能如图5所示（图中颜色请查看论文电子版）。图5 基于PSIM的半桥逆变与耦合拓扑仿真拓扑通过仿真与实测对比结果分析得知，采用半桥逆变耦合的方式可以得到2倍的输出电压峰值，波形无畸变且驱动频率稳定，该电路方案对器件耐压要求低，体积较小。4.2 输出电压与摆动片振幅关系通过测试结果分析得到：在负载选定后，频率固定。随着驱动电压逐步增加，其摆幅也逐步增加，如图6所示。4.3 无级调压占空比与输出电压峰峰值关系如图7示例为软件设置了启动6挡，稳态4挡，12 V430 V之间任意调节；实际根据需求可以在该电压区间任意设置电压值。图3 无级调压拓扑图4 无级控制时序图 112023中国家电科技年会论文集同时通过波形可以看到切换的过程中，输入电压与电流没有明显震荡。4.4 系统效率结果分析实测结果：升压电压部分实测效率在92%以上；整机通过功率计的效率测试如图8。可得输入功率Pin=1.76 W，半输出功率Pout=0.5 W，故系统效率：5 结论该论文介绍了压电驱动的整体设计方案，结合仿真对半桥逆变耦合方案的可行性进行了分析，也对压电振动片的摆幅与电压关系进行了定量分析，得出可以通过改变输出电压的大小来改变摆幅；重点提出了动态无级调压的思想及实现方法，实现了输出电压（12 V430 V）挡位不受调节限制，并且调节的过程中对输入电压/电流应力几乎无影响，保证了其可靠性。同时对整个系统的效率进行了测试分析，升压电路效率在92%以上，整机效率在56.8%左右。为后续压电负载的宽适应性、多动态场景工作的要求提供了理想的应用前景。参考文献1 张进男,陈国平,陈澎钰,等.基于多普勒激光测振法和压电传感器法的模态对比分析J.家电科技,2022(zk):782-785.2 丛鑫港.压电驱动式CPU散热系统的设计与试验研究D.镇江:江苏大学,2023.3 梁浩.基于压电驱动的大功率LED主动散热装置的研究D.成都:电子科技大学,2017.4 高志山,王若言,成晓强.压电陶瓷装置位移的光学测量与控制技术J.电光与控制,2016(08):1-5.5 王春雷,李吉超,赵明磊.压电铁电物料M.北京:科学出版社,2009:35-43.图6 输出电压与摆幅的关系图7 无级调压占空比与输出电压峰峰值关系图8 整机效率测试