Normalized statical analysis with frequency and load variation for the class-E converter based on piezoelectric transformers

Piezoelectric transformers (PTs) allow the design of promising power supply applications, increasing efficiency, reducing size, facilitating the achievement of high transformation ratio, besides providing high immunity against electromagnetic noise. Due to the electrical equivalent model having resonant characteristics, some resonant topologies are used to build these power supplies, i.e. the Class-E converter. In order to make easier the analysis of high order converters, it's possible to use a normalized analysis method. The control of the Class-E converter using PTs is implemented through the switching frequency and duty cycle variation. The static gain is achieved though the switching frequency variation, while the duty cycle is adjusted with the purpose of achieving soft switching for different frequencies and loads. This paper shows a normalized analysis of this process, including a normalized frequency and load variation, without the need of design parameters. Experimental results for a 3W step-down converter are shown for a universal 85-260VAC input and out put voltage 6 V DC, to validate the proposed method. Os transformadores Piezoelétricos permitem o projeto de aplicações promissoras para fontes de alimentação até 100W, melhorando a eficiência, reduzindo o tamanho, facilitando a obtenção de grandes relações de transformação, além de proporcionar alta imunidade contra ruídos eletromagnéticos e interferências. Por apresentarem um modelo elétrico equivalente de característica ressonante, utilizam-se topologias de conversores ressonantes para projetar estes conversores, como por exemplo, a topologia Classe-E. Para facilitar a análise de conversores de ordem superior, pode-se utilizar um método de análise normalizado. O controle do conversor Classe-E utilizando transformadores piezoelétricos é implementado através da variação da freqüência e da razão cíclica de operação. O ganho estático é regulado através da variação da freqüência de chaveamento, e a razão cíclica muda para atender as condições de comutação suave para diferentes freqüências. Este artigo apresenta uma análise completa normalizada deste processo, incluindo variação normalizada da frequência e carga, permitindo escolher um ponto ótimo de projeto estático e avaliar seu comportamento com a variação de frequência, sem a necessidade de parâmetros de projeto. São mostrados resultados experimentais para um conversor abaixador de 3W, para uma entrada universal de 85-260VAC e saída de 6VDC, pa