DE10130351A1

DE10130351A1 - Schaltung zur Speisung resonant betriebener piezokeramischer Wandler mit überlagerter Gleichspannung

Info

Publication number: DE10130351A1
Application number: DE10130351A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schulte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-02

Abstract

Problemstellung DOLLAR A Piezokeramische Aktuatoren können bei hohen Temperaturen oder bei hohen elektrischen Feldstärken entgegen der Polarisationsrichtung depolarisiert werden. Dies bedeutet in der Regel eine irreparable Leistungsminderung oder völlige Funktionsunfähigkeit des Systems. Die Depolarisation kann auch latent über einen relativ langen Betriebszeitraum erfolgen. Eine naheliegende Lösung des Problems ist es, der Wechselspannung eine Gleichspannung in Polarisationsrichtung so zu überlagern, daß der Arbeitspunkt, in dem die Anregung mit dem Wechselfeld erfolgt, in Richtung der Polarisation verschoben wird. Der piezokeramische Aktuator wird im Idealfall nur noch mit unipolarer Spannung gespeist. Hierzu bedarf es einer entsprechenden Speiseeinrichtung. DOLLAR A Technische Lösung DOLLAR A Die Erfindung besteht aus einer Schaltungstopologie, bei der die Wechselspannung durch eine Resonanzstromrichter (z. B. LLCC-Resonanzstromrichter, s. Zeichnung) erzeugt wird, während der Gleichspannungszwischenkreis (1) direkt über Spulen (2) und/oder Widerstände (3) an den piezokeramischen Wandler (4) angeschlossen wird, um die gewünschte überlagerte Gleichspannung zu erhalten. Unter dem Begriff Resonanzstromrichter wird hier die allgemein bekannte Schaltungstopologie verstanden, bei der eine Wechselrichterstufe (5) über einen elektrischen Resonanzkreis auf den piezokeramischen Wandler wirkt. Beispiel hierfür ist der LLCC-Resonanzstromrichter, bei dem ein kombinierter Serien- (6) und ...

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltungstopologie, die es erlaubt, piezokeramischer Wandlern mit Wechselspannungen im Ultraschallbereich zu speisen und gleichzeitig zum Schutz gegen Depolarisationseffekte eine Gleichspannung einfach und kostengünstig zu überlagerten (Hilfsspannung).
Piezokeramische Wandler werden in unterschiedlichen Bauformen (Piezostacks, ring-, rohrförmige, flache oder gewölbte (parabolide) Piezoaktuatoren, Biegewandler, usw.) in verschiedenen Anwendungsgebieten zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich eingesetzt (Ultraschallschweißen, -schneiden, Piezomotoren, Zerstäubung von Flüssigkeiten und Stäuben, Ultraschallerzeugung in der Medizintechnik, zur Materialuntersuchung, -bearbeitung oder Reinigung, usw.). Sie müssen dabei mit Wechselspannungen entsprechender Frequenz gespeist werden.
Piezokeramische Aktuatoren können bei hohen Temperaturen (Annäherung an die Curie- Temperatur) oder bei hohen elektrischen Feldstärken entgegen der (Vor-)Polarisationsrichtung ihre remanente Polarisation verlieren, also depolarisiert werden. Dies bedeutet in der Regel eine irreparable Leistungsminderung oder sogar Funktionsunfähigkeit des Anregesystems. Besonders hoch ist die Gefahr einer Depolarisation bei hochausgenutzten piezokeramischen Wandlern, die einerseits mit hohen elektrischen Feldstärken betrieben werden und bei denen andererseits (bedingt durch die hohe Ausnutzung) relative hohe Betriebstemperaturen auftreten. Die Depolarisation kann auch latent über einen relativ langen Betriebszeitraum erfolgen.
Eine naheliegende Lösung des Problems ist es, der Wechselspannung eine Gleichspannung in (Vor-)Polarisationsrichtung so zu überlagern, daß der Arbeitspunkt in dem die Anregung mit dem Wechselfeld erfolgt in Richtung der (Vor-)Polarisation verschoben wird. Der piezokeramische Aktuator wird im Idealfall nur noch mit einer unipolaren Spannung gespeist, was bedeutet, daß nur noch ein in (Vor-)Polarisationsrichtung orientiertes elektrisches Feld auftritt. Hierzu bedarf es einer entsprechenden Speiseeinrichtung.

Stand der Technik

Die elektrische Speisung der piezokeramischen Aktuatoren mit Wechselspannungen/-strömen mit Frequenzen im Ultraschallbereich erfolgt mit Linearverstärkern ([1], [2]) bzw. Stromrichtern und dabei vorzugsweise mit Resonanzstromrichtern [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8].

Bei einem Resonanzstromrichter erzeugt eine Wechselrichterstufe einen blockförmigen Spannungsverlauf (oder Stromverlauf bei Stromzwischenkreis [8]), wobei ein nachgeschalteter elektrischer Resonanzkreis (Serien-, [2] [3], [4], [5], Serienparallelkompensation oder LLCC-Resonanzkreis [6], [7]) für die notwendige Entkoppelung sowie Filterung und teilweise für eine Blindleistungsanpassung sorgt. Die inhärente Kapazität des piezokeramischen Wandlers wird dabei als Teil der Resonanzkreise genutzt. Oft werden dem piezokeramischen Wandler zusätzlich Kondensatoren parallelgeschaltet um die Verstimmung der Resonanzkreise bei Temperatur- und Arbeitspunktwechseln zu verringern.

Die zur Erzeugung von mechanischen Ultraschallschwingungen dienenden piezoelektrischen Aktuatoren werden aber bisher in der Regel mit bipolarer, gleichanteilfreier und näherungweise sinusförmiger Wechselspannung betrieben.

Nach oben geschilderter Idee, muß eine Speiseeinrichtung zur Vermeidung von Depolarisationseffekten folgende Eigenschaften aufweisen:

- Bereitstellung einer Wechselspannung von bis zu mehreren hundert Volt mit einer Frequenz im Ultraschallbereich (in der Regel größer 20 kHz) und bei
- Scheinleistungsflüssen von einigen Volt-Ampere bis einigen Kilo-Volt-Ampere sowie einem teilweise relativ niedrigen Leistungfaktor.
- Überlagerung eines Gleichspannungsanteils in Größenordnung der Wechselspannungsamplitude zur Vermeidung von Depolarisationseffekten,
- wobei wegen des sehr hohen Gleichspannungswiderstands des piezokeramischen Wandlers nur ein sehr kleiner Gleichstrom fließt und insofern kaum Verluste durch den Gleichspannungsanteil auftreten.

Für dieses Problem sind zahlreiche Schaltungsvarianten/Speisekonzepte denkbar bei denen entweder eine entsprechend steuerbare Spannungsquelle wie beispielsweise Linearverstärker oder PWM-Stromrichter oder aber die Serienschaltung von Wechselspannungs- und Gleichspannungsquellen verwendet wird:

- Relativ einfach gestaltet sich dies bei Linearverstärkern, die aber beispielsweise im Vergleich mit schaltenden Stromrichtern den Nachteil sehr hoher Verluste aufweisen.
- Stromrichter ohne elektrische Resonanzkreise (z. B. PWM-Stromrichter, Stufenstromrichter) sind ebenfalls zur Speisung oben bezeichneter piezokeramischer Wandler denkbar und lassen vergleichsweise einfach das Aufschalten einer überlagerten Gleichspannung zu. Wegen der notwendigen hohen Schaltfrequenzen (PWM-Stromrichter) bzw. wegen des relativ hohe Realisierungsaufwands (Stufenstromrichter) sind solche Stromrichter zur Speisung piezokeramischer Wandler bisher eine große Ausnahme.
- Bei Resonanzstromrichtern bietet sich als Lösung die Verwendung einer galvanisch unabhängigen Gleichspannungsquelle an, die aber einen vergleichsweise hohen Aufwand mit sich bringt. Eine andere Lösung ist der asymmetrische Betrieb einer Wechselrichtervollbrücke bzw. die Verwendung einer Halbbrückentopologie, wobei der Resonanzkreis mit dem piezokeramischen Wandler gegen das untere Potential des Zwischenkreises geklemmt wird, so daß die Wechselrichterausgangsspannung unipolar auf den Resonanzkreis wirkt. Nachteil dieser Lösung ist neben diversen einschränkenden Forderungen an den Resonanzkreis, der veränderliche Gleichspannungsanteil bzw. die nicht mehr beliebig variable Amplitude der Wechselspannung.

Literatur [1] W. Lehfeldt: Ultraschall, Vogel Verlag, 1973, S. 46-50.
[2] A. Durate, H. Rudriuez, A. R. Jimenez, J. L. Pons, R. Ceres: Global performance Evaluation of TWUM's Drivers, Proc. of 7th International Conference on New Actuators - ACTUATOR 2000, Bremen, 19-21 Juni, 2000.
[3] M, Crivii, M. Jufer: DC to AC Converters for Piezoelectric Motors, Proc. of EPE 1999, Lausanne, 1999.
[4] F.-J. Lin, W.-J. Hwang, R.-J. Wai: Ultrasonic Motor with online trained neural-network model-following controller, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 145, No. 2, März 1998.
[5] J. Maas, P. Krafka, N. Fröhleke, H. Grotstollen: Prototype Drive and Modulation Concepts for DSP-Controlled Ultrasonic-Motors powered by Resonant Converters. Proc. of 6th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'95), Sevilla (Spain), S. 1777-1782, 1995.
[6] F.-J. Lin, R.-Y. Duan, H.-H. Lin: An Ultrasonic Motor Drive Using LLCC Resonant Technique, Proc. of PESC'99, Vol. 2, S. 947-952.
[7] T. Schulte, H. Grotstollen, N. Fröhleke: Control for Ultrasonic Motors with LLCC- Resonant Converter. Proc. of 7th International Conference on New Actuators - ACTUATOR 2000, Bremen, S. 367-370, 19-21 Juni, 2000.
[8] F.-J. Lin, R.-Y. Duan, J.-C. Yu: An Ultrasonic Motor Drive Using a Current-Souce Parallel-Resonant Inverter with Energy Feedback, IEEE Trans. on Power Electr., Vol. 14, No. 1, S. 31-42, Jan. 1999. Nachteile des Standes der Technik

Einige Nachteile der naheliegenden Speisekonzepte, insbesonders die auf einzelne Konzepte zutreffenden, sind bereit im vorhergehenden Kapitel erläutert. Zusammenfassend kann gesagt werden:
Da die zu überlagernde Gleichspannung lediglich eine Hilfsspannung zum Schutz gegen Depolarisationseffekte ist, über die keinerlei Leistung umgesetzt wird, verschenkt man bei fast allen oben aufgeführten Speisekonzepten Spannungsreserve des Zwischenkreises. Der Leistungsteil muß deutlich überdimensioniert werden und es ist eine hohe Verlustleistung der Speiseeinrichtung zu erwarten. Zusätzlich weisen fast alle oben aufgeführten Konzepte einen relativ hohen Schaltungs- bzw. Realisierungsaufwand auf.

Darstellung und Vorteile der Erfindung

Die Erfindung besteht aus einer Schaltungstopologie bei der die Wechselspannung durch einen Resonanzstromrichter erzeugt wird, während der Gleichspannungs-Zwischenkreis direkt über Spulen (L_DC) und/oder Widerstände (R_DC) an den piezokeramischen Wandler angeschlossen wird um die gewünschte überlagerte Gleichspannung zu erhalten. Unter dem Begriff Resonanzstromrichter wird hier die allgemein bekannte Schaltungstopologie verstanden bei der eine Wechselrichterstufe (Ausgangsspannung u_wr) über einen elektrischen Resonanzkreis auf den piezokeramischen Wandler wirkt. Bezüglich der Wechselrichterstufe und der elektrischen Resonanzkreise sind verschiedene Topologien denkbar.

Ein Beispiel ist der LLCC-Resonanzstromrichter bei dem ein kombinierter Serien- Parallelschwingkreis (Bild 1) verwendet wird. Er kann aber auch als Verallgemeinerung anderer Schwingkreisstrukturen (z. B. Serienschwingkreis) betrachtet werden. Die Verwendung eines LLCC-Resonanzkreises ist günstig, da der Effektivwert der erzeugte Wechselspannung u_p die Größenordnung der Zwischenkreisspannung U_D der Wechselrichterstufe hat und sich somit ein günstiges Verhältnis zwischen Wechselspannung und überlagerter Gleichspannung (nahezu unipolare Speisung) erreichen läßt. Zusätzlich weist die Topologie der LLCC-Resonanzkreise abgesehen von der Parallelspule L_p, bereits den notwendige hohe Gleichspannungswiderstand auf, sofern die Serienkondensatoren (C_s) und der gegebenenfalls vorhandene Transformator geeignet angeordnet sind. Bezüglich der Parallelspule muß ein Kondensator C_off mit relativ hoher Kapazität zur Abblockung der Gleichspannung eingefügt werden, wobei der Einfluß der zusätzlichen Kapazität C_off auf das Übertragungsverhalten der Schwingkreise durch entsprechende Dimensionierung der Parallelinduktivität L_p minimiert werden kann. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß die Resonanzfrequenz des sich ergebenden elektrischen Schwingkreises relativ weit unterhalb der Betriebsfrequenz liegt und hinreichend gedämpft ist (Bild 2). Bei Verwendung anderer Schwingkreisstrukturen (z. B. Serienschwingkreis; L_p → ∞ , C_s → ∞ bzw. C_s » C_p) kann C_off entfallen, wenn auch L_p entfällt.

Die Anbindung des Spannungszwischenkreises kann sowohl über entsprechend belastbare Widerstände R_DC (ohmsch), als auch über Spulen L_DC (induktiv) oder eine Kombination von beidem erfolgen. Sie ist in der Regel unproblematisch, da keine Leistung umgesetzt wird, also kein Gleichstrom fließt. Bauelemente und Zuleitungen könne somit "klein dimensioniert" werden, parasitäre Effekte sind unproblematisch. Lediglich auf Lade-/Entladevorgänge sowie auf eine ausreichende Dämpfung der entstehende elektrischen Schwingkreise bei induktiver Anbindung muß geachtet werden. Die Gleichspannung läßt sich durch Aufbau eines ohmschen Spannungsteilers zusätzlich variieren, also kleiner als die Zwischenkreisspannung einstellen.

Vorteil dieses Konzepts im Vergleich mit anderen Lösungen ist, daß es sich einfach und damit kostengünstig realisieren läßt und durch die Verwendung nur weniger passiver Bauelemente zur Bereitstellung der überlagerten Gleichspannung eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Zusätzlich ergeben sich bei Verwendung eines LLCC-Resoanzstromrichters die bekannten Vorteile, wie sein näherungsweise spannungseinprägendes Verhalten, hohe Dynamik und Parameter- sowie Störunempfindlichkeit. Die Nachteil der in den vorhergehenden Kapiteln aufgeführter Konzepte wie z. B. der Verlust an Spannungsreserve treten nicht auf.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Grundidee der Erfindung wurde bereits zu Anfang des vorstehenden Abschnitts beschrieben. Es sollen hier nun verschiedene Modifikationen und Ausführungsbeispiele genannt werden:
Bild 2 zeigt eine entsprechende Topologie. Die für den LLCC-Resonanzkreis notwendige Serienkapazität C_s wurde dabei durch zwei Kondensatoren in Serie realisiert die sich auf Hin- und Rückleiter des LLCC-Resonanzkreises aufteilen. Sie sorgen damit für die notwendige Gleichspannungsentkoppelung der als Vollbrücke ausgeführten Wechselrichterstufe. Die zusätzliche Verbindung über L_DCD und R_DCD wird lediglich eingefügt wenn die überlagerte Gleichspannung kleiner als die Zwischenkreisspannung eingestellt werden soll (Spannungsteiler mit R_DC+, R_DCD und R_DC-).
Bild 3 zeigt die gleiche Topologie mit einem Transformator. Hierbei ist es nicht mehr notwendig Serienkondensatoren in Hin- und Rückleiter des Serienschwingkreises einzufügen. Anstelle dessen kann ein Kondensator zur Verhinderung eines Gleichsstroms über die Primärwicklung des Transformators primärseitig eingefügt werden.
Bild 4 zeigt eine ähnliche Topologie bei der zwei piezokeramische Akuatoren in Serie geschaltet sind. Um das sich ergebende Mittenpotential zu stabilisieren wird es ebenfalls induktiv und/oder ohmsch and das Mittenpotential des Zwischenkreises angebunden.
Bild 5 und 6 zeigen die Lösungen mit Halbbrücken-Wechselrichterstufen und Transformator, wobei in Bild 5 die Primärwicklung des Transformators gegen das Zwischenkreis- Mittenpotential geklemmt ist, während in Bild 6 alternativ ein Kondensator zur Abblockung des Gleichspannungsanteils primärseitig eingefügt wurde und so auf die Realisierung eines Zwischenkreis-Mittenpotentials verzichtet werden kann.
Bild 7 zeigt eine Lösung mit einem Dreiwicklungstransformator.

Claims

1. Leistungselektronische Schaltungstopologie zur Speisung piezokeramischer Wandler mit Wechselspannungen im Ultraschallbereich bei gleichzeitiger Bereitstellung eines überlagerten Gleichspannungsanteils zum Schutz gegen Depolarisation, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung direkt vom Spannungszwischenkreis des Stromrichters bereitgestellt wird.

2. Leistungselektronische Schaltungstopologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung durch einen Resonanzstromrichter erzeugt wird.

3. Leistungselektronische Schaltungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß LLCC-Resonanzkreise verwendet werden, wobei der Gleichspannungsanteil durch einen Kondensator von der Parallel-Schwingkreisspule abgeblockt wird.

4. Leistungselektronische Schaltungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung lediglich induktiv und/oder ohmsch vom Spannungszwischenkreis entkoppelt ist.

5. Leistungselektronische Schaltungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Gleichspannung durch Aufbau eines ohmschen Spannungsteilers auch kleiner als die Zwischenkreisspannung eingestellt werden kann.

6. Leistungselektronische Schaltungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein eventuell am piezokeramischen Wandler abgreifbares Mittelpotential mit dem Zwischenkreis-Mittelpotential induktiv und/oder ohmsch verbunden ist, welches gegebenenfalls durch einen ohmsch/kapazitiven Spannungsteiler bereitgestellt wird.