Teholähde pietsosähköiselle toimilaitteelle

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-16
Department
Major/Subject
S3007
Mcode
S3016
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
en
Pages
62 +10
Series
Abstract
Tässä työssä tutkittiin teholähderatkaisuja korkeajännitepietsotoimilaitteelle. Tavoitteena oli saada pietsotoimilaitteen jännite muuttumaan -200 voltista 1000 volttiin ajassa 0.5 ms. Pietsotoimilaitteen lataamiseen vaadittavan suuren virran takia työssä tutkittiin vain jännitettä nostavia topologioita. Lineaarisen teholähteen hyötysuhde olisi ollut ratkaisevasti huonompi. Useita eri vaihtoehtoja simuloitiin SPICE -simulaatio-ohjelmistolla. Mittauksia varten suunniteltiin ja valmistettiin prototyypplaite, jotta voitiin tutkia teholähteen käyttäytymistä oikealla pietsokuormalla. Koska teholähteessä tehopuolijohdekomponenttien kytkentätaajuus valittiin välillä 50 - 100 kHz, oli piikarbidi MOSFET -kytkinten käyttö perusteltua. Pietsopinoa ohjattiin avoimessa ja suljetussa silmukassa. Testeissä käytettiin kokosiltahakkuria, jonka ulostulo oli biasoitu. Näin kokosillan koko jännitealue saatiin hyödynnettyä pietsopinon ohjauksessa. Avoimen silmukan ohjauksessa pystyttiin ohjaamaan pietsopino -190 voltista 950 volttiin 0,6 ms (10\% - 90\%). Muutosten aikana huippuvirta oli 36 ampeeria. Tavoitteet lähes täyttyivät jännitteiden ja muutosnopeuden osalta. Teholähteellä pystyttiin todentamaan, että pietsopinoa voidaan ohjata halutulla nopeudella.

This thesis presents a process of design, prototyping and testing of a power supply for high voltage piezoelectric actuator. And switch-mode converter topologies were examined while they provide better efficiency than their linear counter parts. The goal was to charge a piezoelectric stack from -200 V to 1000 V in under 0.5 ms. The most interesting topologies were simulated with SPICE-simulation software to gain knowledge and reference. A prototype device was designed and build in order to examine topologies with actual a piezoelectric actuator. Since the switching frequency of the converter was 50 - 100 kHz, high speed SiC MOSFET modules were utilized. The piezo stack was driven with open-loop and close-loop operation. A biased output full-bridge topology was used in actual measurements. In open-loop operation maximum output voltage difference of -190 to 950 V was reached while Rise and fall times (10 % - 90 %) was 0.6 ms. The peak current during transitions was 36 amperes. The requirements were almost reached and the power supply proved that the piezo stack actuator can be driven with such a high speeds.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Kostamo, Jari
Keywords
piezoelectic, actuator, SiC, driver, pietso, toimilaite, piikarbiidi, ohjauselektroniikka
Other note
Citation