압전 진동 모드를 이용한 새로운 주파수 변환기 소개

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11009(2023) 이 기사 인용

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주파수 변환은 첨단 기술의 여러 분야에서 필요합니다. "전기 회로" 또는 "결합된 모터 및 발전기"는 일반적으로 주파수 변환에 사용됩니다. 이 기사에서는 압전 변압기(PT)와 유사한 아이디어를 사용하는 새로운 압전 주파수 변환기(PFC)를 소개합니다. PFC는 두 개의 압전 디스크를 함께 밀어 넣는 입력 및 출력 요소로 사용합니다. 이 두 요소 사이에는 공통 전극이 있고 반대쪽에는 두 개의 전극 입력 및 출력이 있습니다. 입력 디스크가 면외 모드에서 강제로 진동하면 출력 디스크는 방사형 모드에서 진동합니다. 서로 다른 입력 주파수를 적용하면 서로 다른 출력 주파수를 얻을 수 있습니다. 그러나 입력 및 출력 주파수는 압전소자의 면외 및 방사형 모드로 제한됩니다. 따라서 필요한 이득을 얻으려면 적절한 크기의 압전 디스크를 사용해야 합니다. 시뮬레이션과 실험에서는 메커니즘이 예상대로 작동하고 결과가 잘 일치함을 보여줍니다. 선택한 압전 디스크의 경우 게인이 가장 낮을수록 주파수는 61.9kHz에서 118kHz로 증가하고, 게인이 가장 높으면 주파수는 3.7kHz에서 51kHz로 증가합니다.

압전 소자는 수십 년 전부터 전압 변압기(PT)를 만드는 데 사용되어 왔습니다. PT는 기계적 진동을 통해 전압을 전달하고 이를 높이거나 낮춥니다. 이러한 변압기는 일반적으로 입력 및 출력 포트인 두 개의 압전 요소로 구성됩니다. 입력 압전 디스크는 공진 주파수에서 여기되고 출력 전압은 출력 요소로부터 얻어집니다. 적절한 설계를 통해 원하는 입력 및 출력 전압 비율을 얻을 수 있습니다. Rosen은 19541년에 처음으로 PT를 도입했습니다. 이후 기하학, 모델링, 효율성 향상 등 다양한 PT에 대한 많은 연구가 이루어졌습니다.

PT는 로젠(Rosen), 두께 진동 모드, 방사형 진동 모드의 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다. 로젠형 변압기는 입력부가 세로방향, 출력부가 두께방향으로 되어 있으며, 이러한 형태의 PT는 승압변압기로 주로 사용된다2. 두께 진동 모드 PT는 1990년대 일본 NEC에서 개발되었습니다. 방사형 모드 장치는 디스크 또는 링 모양이며 방사형 공진에 가까운 주파수에서 작동합니다. 방사형 모드 장치에 대한 다양한 배열이 제안되었으며, 그 중 방사형 모드 변환기가 아마도 가장 잘 알려져 있습니다3. 방사형 모드 변압기는 업 및 다운 컨버터에 사용하기에 적합하며 형광등 안정기4부터 노트북 전원 공급 장치5에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 사용되었습니다.

방사형 모드 진동에 가장 밀접하게 대응하는 결합 계수는 kp입니다. 이는 방사형 모드 PT가 높은 전력 밀도를 달성하는 데 도움이 됩니다. 방사형 모드 변압기는 100W 이상의 전력 레벨로 제공되었으며 추가 개발을 통해 200W를 초과할 것으로 예상됩니다6.

PT는 각각 다른 주파수를 갖는 다양한 진동 모드에서 작동할 수 있습니다. 그러나 각 PT 토폴로지는 최적의 에너지 전달을 허용하는 최적의 진동 모드를 가지고 있습니다. 압전 변압기에 대한 최적의 진동 모드는 일반적으로 전기 기계적 결합이 가장 높고 손실이 가장 낮은 모드입니다7.

전자기 변압기에 비해 PT의 장점으로는 더 높은 전력 밀도, 전자기 잡음이 없음, 공진 모드에서 더 높은 효율, 단순성, 작은 크기, 불연성 및 간단한 제조 공정 등이 있습니다. PT는 공진 주파수가 높은 주파수에서 작동하기 때문에 압전 재료는 높은 기계적 품질 계수와 낮은 유전 손실을 동시에 가져야 합니다8.

1992년에 Osamu et al. PbTiO3로 구성된 새로운 유형의 다층 PT를 출시했습니다. 그들의 목표는 이를 전원 공급 장치 전환에 사용하는 것이었습니다. 진동 모드는 두께를 따라 진행되었습니다. 전기기계적 등가회로는 90% 이상의 효율을 보였다. 그들은 장치를 만들고 실험적으로 평가했습니다. 결과는 2MHz 주파수에서 낮은 스퓨리어스 진동과 우수한 공진 특성을 보여주었습니다. 또한 PT는 가짜 진동 없이 16W/cm.s의 전력 밀도를 생성했습니다. 마지막으로 이 PT9를 사용하여 고전력 클래스 E 스위칭 전원 공급 장치를 만들었습니다.