Piezoelektrische Transformatoren zur Ansteuerung von Leistungsschaltern

Piezoelectric transformers for driving power switches

  • In heutigen Anwendungen der Leistungselektronik werden vornehmlich Brückenschaltungen basierend auf n-Kanal Leistungsschalter eingesetzt. Für die Ansteuerung von MOS-FET bzw. IGBT Leistungsschaltern deren Source- bzw. Emitterkontakt auf gleitendem Potential liegt, kommen sogenannte High-Side Treiber zum Einsatz. Diese Schaltungen stellen eine galvanisch getrennte Spannungsversorgung sowie Informationsübertragung für die Ansteuerung der Leistungsschalter zu Verfügung. Bei heutigen, konventionellen Lösungen übernehmen fast ausschließlich Transformatoren basierend auf elektro-magnetischer Kopplung die Energie- und Informationsübertragung. In Anwendungen mit geringer Leistungsübertragung kommen In heutigen Anwendungen der Leistungselektronik werden vornehmlich Brückenschaltungen basierend auf n-Kanal Leistungsschalter eingesetzt. Für die Ansteuerung von MOS-FET bzw. IGBT Leistungsschaltern deren Source- bzw. Emitterkontakt auf gleitendem Potential liegt, kommen sogenannte High-Side Treiber zum Einsatz. Diese Schaltungen stellen eine galvanisch getrennte Spannungsversorgung sowie Informationsübertragung für die Ansteuerung der Leistungsschalter zu Verfügung. Bei heutigen, konventionellen Lösungen übernehmen fast ausschließlich Transformatoren basierend auf elektro-magnetischer Kopplung die Energie- und Informationsübertragung. In Anwendungen mit geringer Leistungsübertragung kommen auch optoelektronische Übertrager zum Einsatz. Der Trend in der Leistungselektronik führt zu immer höheren zu schaltenden Spannungen, was zwangsläufig zu einer höheren Isolationsfestigkeit der Übertrager führt. Dies kann bei derzeitigen konventionellen Transformatoren nur durch eine voluminöse Bauform erreicht werden. Zudem stellen sie meist das kostenintensivste Bauelement (z.B. teure Wicklung) dieser High-Side Treiber dar. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz der potentialgetrennten Energie- und Informationsübertragung verfolgt. Die galvanische Trennung von primärer Steuerseite und sekundärseitiger Ansteuerung der High-Side Treiber erfolgt über piezoelektrische Transformatoren. Durch den Einsatz von piezoelektrischen Keramiken kann in kompakter Form eine hohe Isolationsfestigkeit pro Volumen erreicht werden. Die Kopplung von Primär- und Sekundärseite erfolgt anstelle einer elektro-magnetischen über eine akustische Welle. Des Weiteren sind sie ohne zusätzliche, äußere Beschaltung kurzschlusssicher und nicht entflammbar. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die komplette Entwicklung einer High-Side Ansteuerschaltung für Leistungsschalter mit piezoelektrischen Transformatoren aufgezeigt. Zu Beginn werden einige Grundlagen über den piezoelektrischen Effekt gegeben. Nach einer Analyse des elektrischen Ersatzschaltbilds piezoelektrischer Transformatoren, erfolgt die Dimensionierung zweier dickenschwingender Piezotransformatoren. Anschließend wird die Resonanzfrequenz und die Eingangsadmittanz der Piezotransformatoren durch ein finite Elemente Simulationsprogramm bestimmt. Bei der Herstellung der Piezotransformatoren werden unterschiedliche Aufbau- und Verbindungstechniken getestet. Im dritten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Topologien von Ansteuerschaltungen für Piezotransformatoren untersucht. Anhand eines besonders effizienten, resonanten Push-Pull Treibers werden die hergestellten Piezotransformatoren hinsichtlich ihres Last- und Resonanzverhaltens, sowie ihrer Effizienz optimiert. Im vierten Teil der Arbeit werden die zuvor gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt, um einen High-Side Treiber für die Ansteuerung von Leistungsschaltern zu entwickeln. Eine elektrische Charakterisierung des gesamten High-Side Treiber schließt dieses Kapitel ab. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf weitere Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten werden am Ende der Arbeit gegeben.show moreshow less
  • For present applications of power electronics based on n-channel power switches mainly bridge circuits are used. So called high-side drivers are applied to control MOS-FET or IGBT power switches whose source or emitter contact, respectively, is on a floating potential. These circuits provide a galvanically isolated path for the power supply as well as communication transfer for the driving of the power switches. The energy and information transfer in present, conventional solutions is achieved exclusively by transformers which are based on electro-magnetic coupling. In applications with low power transfer, optoelectronic transformers are also used. But the trend in power electronics to increaFor present applications of power electronics based on n-channel power switches mainly bridge circuits are used. So called high-side drivers are applied to control MOS-FET or IGBT power switches whose source or emitter contact, respectively, is on a floating potential. These circuits provide a galvanically isolated path for the power supply as well as communication transfer for the driving of the power switches. The energy and information transfer in present, conventional solutions is achieved exclusively by transformers which are based on electro-magnetic coupling. In applications with low power transfer, optoelectronic transformers are also used. But the trend in power electronics to increase the switching voltages leads to increase the insulation strength of transformers, too. By conventional transformers this can only be done by increasing their volume. Furthermore the magnetic transformers are the most expensive part of a high-side driver circuit (e.g. windings). In this thesis a new approach of isolated energy and information transfer is presented. The galvanically isolation between primary controlling circuit and secondary side of the high-side driver is done by piezoelectric transformers. Due to the use of piezoelectric ceramics, a high insulation per volume could be achieved in a very compact design. The primary and secondary side is coupled by an electro-mechanic instead of an electro-magnetic wave. Therefore piezoelectric transformers are short-circuit proved without external circuits and as well as non-flammable. In this thesis the design and development of a high-side driver with piezoelectric transformers for power switches is presented. At the beginning some basic information about the piezoelectric effect are given. After analyzing the equivalent circuit of piezoelectric transformers, the dimension of two transformers operating in the thickness extension mode are calculated. The resonant frequency and the input admittance are calculated by a finite element simulation. For the manufacturing process of the piezoelectric transformers different assembly techniques are analyzed. In the third part of this thesis different driver topologies for piezoelectric transformers are examined. The assembled piezoelectric transformers are characterized concerning their load and resonant behavior as well as their efficiency with the help of extra efficient, resonant push-pull driver. In the fourth part of this thesis, a high-side driver for power switches is developed based on the knowledge of the previous parts and is closed with an electrical characterization of the high-side driver. The thesis concludes with a short summary of the research results and an outlook on future research directions is given.show moreshow less

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Metadaten
Author:Holger Schwarzmann
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-31365
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/03/19
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/11/28
Release Date:2012/03/19
Tag:piezoelectric ceramic; piezoelectric transformer; piezoelectricity; power switch
SWD-Keyword:Ansteuerung; Leistungsschalter; Piezoelektrizität; Piezokeramik; Transformator; Treiberschaltung
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $