压电电路、用于压电电路的压电驱动电路及压电驱动方法与流程

本发明关于一种压电电路、一种驱动该压电电路的压电驱动电路以及一种该压电电路的驱动方法。

背景技术：

压电电路可将电能转换成机械能，并且也可以将机械能转换成电能。全桥驱动电路被用于驱动压电电路。

当压电电路包括电容器，并且由全桥驱动电路的开关执行开关操作时，施加到压电电路的电压的方向被改变。每当施加到压电电路的电压的方向被改变时，对压电电路的电容器进行充电的峰值电流导通。

在背景技术部分中所公开的以上信息仅用于加强对本发明的背景的理解，并且因此，可能包括并不构成在本国被本领域普通技术人员熟知的现有技术的信息。

技术实现要素：

通过本发明的示例性实施例，本发明致力于提供一种可降低峰值电流的压电电路、一种压电驱动电路以及一种压电驱动方法。

根据本发明的示例性实施例，压电电路包括子压电电路以及外部电感器，该外部电感器与该子压电电路并联连接，并且当压电电压(即，压电电路的两端电压)的极性被反转时，外部电感电流协助子压电电路进行放电。

子压电电路包括：串联谐振电路以及第二电容器，该串联谐振电路包括串联耦合的第一电容器、第一电感器以及电阻器，该第二电容器与串联谐振电路并联耦合。

根据本发明示例性实施例的压电驱动电路包括子压电电路、外部电感器以及全桥电路，该子压电电路被连接在第一节点和第二节点之间，该外部电感器与该子压电电路并联耦合，该全桥电路包括第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，该第一开关和该第三开关连接至第一节点，该第二开关和该第四开关连接至第二节点。

第一开关包括：与第一电压连接的第一电极、与第一节点连接的第二电极以及第一控制电压所输入至的控制电极，并且第三开关包括：与第一节点连接的第一电极、接地的第二电极以及第三控制电压所输入至的控制电极。

第二开关包括：与第一电压连接的第一电极、与第二节点连接的第二电极、以及第二控制电压所输入至的控制电极，并且第四开关包括：与第二节点连接的第一电极、接地的第二电极以及第四控制电压所输入至的控制电极。

第一开关在自第四开关的接通时刻起的第一时段之后接通，并且比第四开关早第二时段关断，并且第一时段是根据在第一开关的两端电压通过外部电感器的电流而变成零的时段来确定的，第二时段是根据在第三开关的两端电压通过外部电感器电流而变成零的时段来确定的。

第二开关在自第三开关的接通时刻起的第三时段之后接通，并且比第三开关早第四时段关断，并且第三时段是根据在第二开关的两端电压通过外部电感器的电流而变成零的时段来确定的，第四时段是根据在第四开关的两端电压通过外部电感器电流而变成零的时段来确定的。

子压电电路包括：第一电容器、第一电感器、电阻器以及第二电容器，并且第一电容器、第一电感器与电阻器串联耦合在第一节点与第二节点之间，第二电容器被连接在第一节点与第二节点之间。

根据本发明示例性实施例的压电电路的驱动方法包括：在自第三开关的接通时刻起的第一时段之后接通第二开关，其中，第一开关和第三开关连接至压电电路的第一端，并且第二开关和第四开关连接至压电电路的第二端；在自第二开关的关断时刻起的第二时段之后关断第三开关；在自第四开关的接通时刻起的第三时段之后接通第一开关；以及在自第一开关的关断时刻起的第四时段之后关断第四开关。压电电路包括子压电电路以及与该子压电电路并联耦合的外部电感器。

该驱动方法进一步地包括：在第二时段期间，通过第四开关的寄生电容器和第二电容器利用外部电感器电流进行的放电来将第四开关的两端电压降低至零，并且接通第四开关。

在第二时段期间，第二开关的两端电压利用外部电感器电流而升高。

该驱动方法进一步地包括：在第三时段期间，通过第一开关的寄生电容器利用外部电感器电流进行的放电来将第一开关的两端电压降低至零。在第三时段期间，第三开关的两端电压利用外部电感器电流而升高。

该压电电路驱动方法进一步地包括：在第四时段期间，通过第三开关的寄生电容器和第二电容器利用外部电感器电流进行的放电来将第四开关的两端电压降低至零，并且接通第三开关。

在第四时段期间，第一开关的两端电压利用外部电感器电流而升高。

在第一时段期间，通过第二开关的寄生电容器利用外部电感器电流进行的放电来将第二开关的两端电压降低至零。

在第一时段期间，第四开关的两端电压利用外部电感器电流而升高。

该压电电路驱动方法进一步地包括：在第一开关和第四开关的接通时段期间，向压电电路的第一端供应第一电压，并且向压电电路的第二端供应第二电压；以及在第二开关和第三开关的接通时段期间，向压电电路的第一端供应第二电压，并且向压电电路的第二端供应第一电压。

根据本发明的示例性实施例，可提供能降低峰值电流的压电电路、压电驱动电路以及压电驱动方法。

附图说明

图1示出根据本发明示例性实施例的压电电路以及压电驱动电路。

图2是根据本发明示例性实施例的在压电电路与压电驱动电路中生成的电压与电流以及压电驱动电路的控制电压的波形图。

图3A示出压电驱动电路在第二与第三开关的接通时段期间的开关状态。

图3B示出压电驱动电路在仅第三开关接通时段期间的开关状态。

图3C示出压电驱动电路在仅第四开关接通时段期间的开关状态。

图3D示出压电驱动电路在第一与第四开关接通时段期间的开关状态。

图3E示出压电驱动电路在仅第四开关接通时段期间的开关状态。

图3F示出压电驱动电路在仅第三开关接通时段期间的开关状态。

图4示出流向传统压电电路的压电电流以及根据本发明示例性实施例的压电电流。

具体实施方式

在下面的详细描述中，已经仅仅简单地通过举例说明的方式来示出和说明本发明的某些示例性实施例。正如本领域技术人员将会认识到的，可以以各种不同的方式对所描述的实施例进行修改，而均不背离本发明的精神或范围。因此，附图和描述本质上应被看作是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相同的附图标记始终指代相同的元件。

在下面的说明书和权利要求书中，当一个元件被描述为“耦合至”另一元件时，该元件可以“直接耦合”至该另一元件，或该元件可以通过一第三元件“电耦合”至该另一元件。另外，除非另有明确的相反描述，否则词语“包括(comprise)”及其变型应理解为意指包括所述及的元件而不排除任何其它元件。

在下文中，将描述根据本发明示例性实施例的压电电路、压电驱动电路以及压电驱动方法。

图1示出根据本发明示例性实施例的压电电路以及压电驱动电路。

压电电路10包括外部电感器LEXT以及子压电电路12。子压电电路12指示为传统压电电路。也就是说，根据本发明示例性实施例的外部电感器LEXT与传统压电电路的两端连接。

作为对本发明示例性实施例的描述，子压电电路12包括串联谐振电路11以及与该串联谐振电路11连接的第二电容器CB，该串联谐振电路11包括第一电感器L、第一电容器CA以及电阻器R。

外部电容器LEXT与子压电电路12的两端(即，节点N1与节点N2)连接。当压电电压VPIEZO(即，压电电路12的两端电压)的极性反转时，外部电感器LEXT对子压电电路12进行放电。接着，当压电电压VPIEZO的极性反转时，压电电路10由于外部电感器LEXT的存在而比传统的压电电路放电更快。

然而，这是以等效电路的形式示出的子压电电路12的示例。也就是说，本发明不受限于图1中所示的子压电电路12，也可使用针对压电元件的其他等效电路。

压电驱动电路20用全桥电路来实现，并包括四个开关S1到S4。体二极管BD1到BD4以及寄生电容器C1到C4被并联耦合在相应的四个开关S1到S4中的两个电极之间。

根据本发明示例性实施例的第一到第四开关S1到S4用n沟道型MOSFET来实现。第一到第四开关S1到S4的第一电极是漏电极，并且第二电极是源电极，并且控制电极是栅电极。

然而，本发明的示例性实施例的第一到第四开关不受限于MOSFET，这些开关可以用BJT或者IGBT来实现。

压电电路10的第一端连接至第一开关S1的源电极与第三开关S3的漏电极的节点N1，并且压电电路10的第二端连接至第二开关S2的源电极与第四开关S4的漏电极的第二节点N2。

在压电电路10中，第一电容器CA、第一电感器L以及电阻器R被串联耦合在节点N1与节点N2之间。串联耦合的第一电容器CA、第一电感器L以及电阻器R构成串联谐振电路。

第二电感器CB与外部电感器LEXT被连接在节点N1与节点N2之间，并且与串联谐振电路并联耦合。

电流IM是流向串联谐振电路的电流，流向外部电感器LEXT的电流是外部电感器电流IEXT，并且压电电流IPIEZO是供应给压电电路10的电流。

更具体地说，第一电容器CA的第一端与节点N1连接。第一电感器L的第一端与第一电感器CA的第二端连接。电阻器R的第一端与第一电感器L的第二端连接，并且电阻器R的第二端与节点N2连接。

第一开关S1的漏电极和第二开关S2的漏电极连接至电压VDC，并且第三开关S3的源电极和第四开关S4的源电极接地。

第一控制电压VA被施加到第一开关S1的栅电极，并且第二控制电压VB被施加到第二开关S2的栅电极。第三控制电压VC被施加到第三开关S3的栅电极，并且第四控制电压VD被施加到第四开关S4的栅电极。

第一到第四开关S1到S4的两端电压分别被称为为第一到第四开关电压VP1到VP4。

在下文中，将参考图2与图3A到图3E描述压电电路10的驱动方法。

图2是根据本发明示例性实施例的在压电电路与压电驱动电路中生成的电压与电流以及压电驱动电路的控制电压的波形图。

图3A到3E示出压电驱动电路根据相应时段的开关状态。

在T1处，第二控制电压VB变成高电平，并且第二开关S2接通。在T2处，第二控制电压VB变成低电平，并且第二开关S2关断。

图3A示出压电驱动电路在第二与第三开关的接通时段期间的开关状态。

如图2所示，第二开关电压VP2在T1处为零。由于第三开关S3在T1处处于接通状态，故电压VDC在时段T1到T2期间连接至压电电路10，并且在T1处生成第二开关电流IS2的峰值来对第一电容器CA与第二电容器CB进行充电。

然而，该峰值显著地低于在不包括外部电容器LEXT的传统压电驱动电路中生成的峰值。这将在之后参考图4进行描述。

在时段T1到T2期间，第二开关电流IS2增大，并且压电电路10的两端电压被保持在负电压-VDC。如图1所示，压电电压VPIEZO的极性基于节点N2的电势被确定。意思是，当节点N1的电势高于节点N2时，该极性为正，而在相反的情况下，该极性为负。

在时段T1到T2期间，电流IM从节点N2流向节点N1，并且电容器CA的电压降低。在时段T1到T2期间，外部电感器电流IEXT的方向被改变，以使外部电感器电流IEXT流向与电流IM相同的方向。在下文中，为了便于描述，将从节点N1朝向节点N2的方向称为正方向，而相反的方向称为为负方向。

如图3A所示，由于第一开关S1与第四开关S4在时段T1到T2期间处于关断状态，故第一开关电压VP1与第四开关电压VP4为电压VDC，由于第二开关S2与第三开关S3处于接通状态，故第二开关电压VP2与第三开关电压VP3为零。

图3B示出压电驱动电路在仅第三开关的接通时段期间的开关状态。

第二开关S2在T2处被关断。在T2之后，电容器C4通过外部电感器电流IEXT而进行放电，以使第四开关电压VP4被降低。在T3处，第四开关电压VP4达到零，第四开关S4被接通(零电压切换)。

从T2开始，外部电感器电流IEXT对电感器C2进行充电。因此，由于电容器C2从T2开始进行充电，第二开关电压VP2开始升高。

在时段T2到T3期间，电容器CB与电容器C4通过外部电感器电流IEXT进行放电。针对第四开关S4的零电压切换，电容器CB与电容器C4被放电，并因此第四开关电压VP4应该达到零电压。

如图3B所示，电容器CB通过电流I1进行放电，并且电容器C4通过电流I2进行放电。由于在T2之后外部电感器电流IEXT的流向保持在负方向，故电容器C4与CB被放电，以满足第四开关S4的零电压切换的条件。

如图2所示，外部电感器电流IEXT在时段T2到T3期间流向负方向，并且包括图3B所示的电流I1与电流I2。

图3C示出压电驱动电路在仅第四开关的接通时段期间的开关状态。

在T3处，第四控制电压VD变成高电平，并且第四开关S4接通。在T3处，第三控制电压VC变成低电平，并且第三开关S3关断。在T3处，第四开关电压VP4为零，使得第四开关S4进行零电压切换。

从T3开始，通过外部电感器LEXT的外部电感器电流IEXT，电容器C1被放电而电容器C3被充电。更具体地说，如图3C所示，从T3开始，电容器C1通过电流I3被放电，并因此第一开关电压VP1开始降低，并且从T3开始，电容器C3通过电流I4被充电，并因此第三开关电压VP3开始升高。

在T4处，第一开关电压VP1变成零，并且第一控制电压VA变成高电平，并因此第一开关S1接通。在T4处，第三开关电压VP3为电压VDC。

图3D示出压电驱动电路在第一与第四开关的接通时段期间的开关状态。

由于第四开关S4在T4处处于接通状态，故电压VDC在时段T4到T5期间连接到压电电路10，并且在T4处生成开关电流IS1的峰值来对第一电容器CA与第二电容器CB进行充电。然而，峰值电流也比传统情况下的峰值电流低。

在T5处，第一控制电压VA变成低电平，并且第一开关S1关断。在时段T4到T5期间，第一开关电流IS1增大，并且压电电路10的两端电压被保持在正电压VDC。

在时段T4到T5期间，电流IM沿正方向流动，并且电容器CA的电压被升高。在时段T4到T5期间，外部电感器电流IEXT的方向被改变为与电流IM相同的方向。

如图3D所示，第二开关S2与第三开关S3在时段T4到T5期间处于关断状态，并且因此，第二开关电压VP2与第三开关电压VP3为电压VDC，第一开关S1与第四开关S4处于接通状态，并且因此第一开关电压VP1与第四开关电压VP4为零。

图3E示出压电驱动电路在仅第四开关的接通时段期间的开关状态。

开关S1在T5处被关断。在T5之后，电容器C3通过外部电感器电流IEXT被放电，并因此第三开关电压VP3被降低。在T6处，第三开关电压VP3达到零，第三开关S3被接通(即，零电压切换)。

从T5开始，电感器IEXT对电容器C1进行充电。因此，由于电容器C1从T5开始的充电，第一开关电压VP1开始升高。

在时段T5到T6期间，电容器CB与电容器C3通过外部电感器电流IEXT被放电。针对第三开关S3的零电压切换，电容器CB与电容器C3应被放电，并因此第三开关电压VP3应该达到零。如图3E所示，电容器CB通过电流I5被放电，并且电容器C3通过电流I6被放电。由于在T5之后外部电感器电流IEXT的流向正方向，故对电感器C3与CB被放电，由此满足第三开关S3的零电压切换条件。

如图2所示，外部电感器电流IEXT在时段T5到T6期间流向正方向，并且包括图3E所示的电流I5与电流I6。

图3F示出压电驱动电路在仅第三开关的接通时段期间的开关状态。

在T6处，第三控制电压VC变成高电平，并且第三开关S3接通。在T6处，第四控制电压VD变成低电平，并且第四开关S4关断。在T6处，第三开关电压VP3为零，并因此第三开关S3进行零电压切换。

从T6开始，通过外部电感器LEXT的外部电感器电流IEXT，电容器C2被放电而电容器C4被充电。更具体地说，如图3F所示，从T6开始，电容器C2通过电流I7被放电，并因此第二开关电压VP2开始降低，并且从T6开始，电容器C4通过电流I8被充电，并因此第四开关电压VP4开始升高。

在T7处，第二开关电压VP2变成零，并且第二控制电压VB变成高电平，并因此第二开关S2接通。在T7处，第四开关电压VP4为电压VDC。

接着重复操作从T1到T7的操作，不再不提供进一步的描述。

根据第一开关电压VP1通过外部电感器电流IEXT达到零的时段，确定第一开关S1的接通时刻相对于第四开关S4的接通时刻的延迟时间。另外，根据在第三开关电压VP3通过外部电感器电流IEXT达到零的时段，确定第一开关S1的关断时刻相对于第四开关S4的关断时刻的进行时间。

类似地，根据第二开关电压VP2通过外部电感器电流IEXT达到零的时段，确定第二开关S2的接通时刻相对于第三开关S3的接通时刻的延迟时间。另外，根据第四开关电压VP4通过外部电感器电流IEXT达到零的时段，确定第二开关S2的关断时刻相对于第三开关S3的关断时刻的进行时间。

如图2所示，压电电压VPIEZO根据压电驱动电路20的切换操作交替地具有正电压VDC或者负电压VDC。在此情况下，所有开关在零电压切换条件下通断。因此，峰值电流相对于传统情况下的峰值电流而言被降低。

图4示出根据传统压电驱动电路的压电电流以及根据本发明示例性实施例的压电电流。

假定压电驱动电路执行半零电压切换来获得传统的压电电流。

如图4所示，传统压电电流的峰值远高于根据本发明示例性实施例的压电电流PIEZO的峰值。

如果图4的峰值电流完全不存在，则电流的形状为正弦波。由于图4中所示的峰值依旧高于遵循正弦波的压电电流，因此即使本发明示例性实施例的峰值电流明显地低于传统压电电流的峰值，我们不能认为该电流具有正弦波的形状。

根据本发明示例性实施例的压电驱动电路降低峰值电流，使得与传统压电驱动电路相比，输入功率可被降低。也就是说，切换损耗可通过全零电压切换来降低，从而降低功耗。

更具体地说，确定压电电路的机械移动的电压为电容器CA的两端电压。根据本发明示例性实施例的输入功率低于传统压电电路所需要的输入功率，以获得与图2中所示相同的电压VCA。因此，与传统压电电路相比，根据本发明示例性实施例的压电电路需要较少的电能就能获得相同量的机械能。

另外，根据本发明的示例性实施例，虽然所有开关都在第一到第四开关中的每个开关的两端电压达到零时通断，但是在两端电压达到零的时间点与相应的开关接通的时间点之间存在一差量。

进一步，虽然在本发明的示例性实施例中，第三开关的关断与第四开关的接通是相同的，但是这两个时间点之间可能存在预定的停滞时间。另外，虽然在本发明的示例性实施例中，第四开关的关断与第三开关的接通是相同的，但是这两个时间点之间可能存在预定的停滞时间。

更具体地说，在图2中，在T3(VP4达到零电压的时间点)与第四开关S4的接通之间可能存在停滞时间，并且在T6(即，VP3达到零电压的时间点)与第三开关S3的接通之间可能存在停滞时间。

尽管结合目前视为的实用示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

符号描述

压电电路10、第一电感器L、外部电感器LEXT、

第一电容器CA、第二电容器CB、电阻器R、

压电驱动电路20、体二极管BD1到BD4、寄生电容器C1到C4、

第一到第四开关S1到S4、串联谐振电路11。