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Master of Science in EngineeringBIBEBUVAPiezo Leistungsverstärker für DruckköpfeIndustrial Technologies / Betreuer: Prof. Dr. Andrea VezziniExperte: Markus SchwabIn der Verpackungsindustrie werden hochviskose Medien wie zum Beispiel Kalt- oder Heissleime mit Hilfevon Druckventilen aufgetragen. Für den Bau solcher Druckventile werden zunehmend Piezoaktoren eingesetzt,da die hohe Kraft und Dynamik dieses Aktors ideal für eine solche Anwendung ist. Allerdings stellendiese Aktoren hohe Anforderungen an die Ansteuerelektronik. Zum einen bewirkt ihr kapazitives Verhalteneinen hohen Stromanstieg im dynamischen Betrieb, zum anderen müssen diese mit einer Spannung von160V betrieben werden. Dies führt zu einer kurzzeitigen Pulsleistung von 1kW.Während dieser Masterthesis wurdeeine komplette Ansteuerelektronikfür den Betrieb von Piezoaktorenrealisiert. Diese besteht imWesentlichen aus zwei Teilen.Zunächst wurde eine Eingangsstufeentwickelt und realisiert, welcheaus dem 230 VAC Stromversorgungsnetzdie für Piezoaktorenbenötigte Versorgungsspannungvon 160 V erzeugt. Die gesamteEingangsstufe wurde hardwaremässigmit einem Contoller-IC von Texas Instruments realisiert.Dieser kombinierte PFC/PWM-Controller ermöglicht es,eine sogenannten Power-Factor-Correction (kurz: PFC) mit einemBoost-Converter zu realisieren.Dabei wird der Eingangsstrom desBoost-Converters so geregelt,dass das Versorgungsnetz mit einemsinusförmigen Strom in Phasezur 50 Hz Netzspannung belastetwird.Um den Personenschutz sicherzustellenwar zudem gefordert,dass keine elektrische Verbindungzwischen der 160 V Zwischenkreisspannungund dem Stromversorgungsnetzbesteht. Diesegalvanische Trennung konnte miteinem Two-Switch-Forward Converterrealisiert werden.Um nun aber das Druckventil inden geforderten 150 μs zu öffnen,muss auch der Piezoaktor in150 μs von 0 V auf 150 V geladenwerden können. Dazu wurde diesogenannte Ausgangsstufe miteiner Grenzfrequenz von 4.5 kHzentwickelt. Die Ausgangsstufeerzeugt aus der Zwischenkreisspannungvon 160 V eine variableSpannung zwischen 0 V und150 V. Dafür wurde ein bidirektionalerBuck-Boost Converter eingesetzt.Dieser ermöglicht es einerseitsden Piezoaktor zu laden,aber andererseits auch beim Entladendie Energie wieder zurück inden Zwischenkreis zu speisen. DieEnergie wird also rekuperiert. Umallerdings die hohe geforderteDynamik gewährleisten zu können,wurde ein interleaved Konzepteingesetzt. Dabei werdenmehrere Buck-Boost Converterparallel geschaltet (in unserem Fallvier) auf die sich der Ausgangsstromdann aufteilt. Da so die einzelnenInterleaved-Stufen kleinerdimensioniert werden können,erhöht sich die Dynamik des Systems.Indem das PWM-Signal dieservier Interleaved-Stufen nochzusätzlich zueinander verschobenwird, löscht sich die Stromwelligkeitder Stufen in der Summe teilweiseaus. Resultat ist also eineAusgangsstufe mit kleiner Stromwelligkeitbei gleichzeitig hoherDynamik.Dank diesem Piezo-Leistungsverstärkerist es nun möglich, neuehochdynamische Druckventile mitPiezoaktoren zu entwickeln und zubetreiben.Sandro Schneggsandro.schnegg@gmail.comGrobübersicht Piezo Leistungsverstärkerti.bfh.ch33