English

Continously new applications for piezoelectric actuators are developed. These applications need an applicable power supply which can adapt amplitude, frequency and phase of the actuator voltage to the ultrasonic processes. The power supply should work on one hand as efficient as possible. On the other hand it should allow the highest miniaturisation potential and a cost sensitive realisation. The complex coupling of the mechanical and electrical subsystems complicates the design of an optimal adjusted complete system. In this thesis the focus lies in particular on the class of weak damped ultrasonic systems. Their strongly changing terminal behaviour when operated near resonance defines high demands of the feeding power electronics. The terminal behaviour will be represented by an actuator model which is based on continuum-mechanical relations and considers geometry and material parameter. Selected power converter concepts for these systems are considered in detail. Mainly resonance and PWM converters are investigated. To evaluate the suitability of the particular converter concept to feed weak damped ultrasonic systems the miniaturisation potential of the needed filter components and the obtainable grade of efficiency is considered. The model for actuator and power converter are united and are a fundametal basis to configure piezoelectric ultrasonic systems in an integrated design.

Deutsch

Für die Verwendung piezoelektrischer Aktoren ergeben sich laufend neuartige Ultraschallanwendungen. Dazu wird eine geeignete Energieversorgung benötigt, die Amplitude, Frequenz und Phase der anregenden Aktorspannung den entsprechenden Ultraschallprozessen anpasst. Die Energieversorgung sollte einerseits möglichst effizient arbeiten, andererseits aber auch eine Miniaturisierung und kostengünstige Realisierung zulassen. Dabei erschwert die komplexe Verkopplung mechanischer und elektrischer Teilsysteme den Entwurf optimal aufeinander abgestimmter Systeme. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus insbesondere auf der Klasse der schwach gedämpften Ultraschallsysteme, deren stark veränderliches Klemmenverhalten bei resonanznahem Betrieb hohe Ansprüche an die speisende Leistungselektronik stellt. Dieses Klemmenverhalten wird durch ein Aktormodell abgebildet, das auf kontinuums-mechanischen Zusammenhängen beruht und Geometrie- und Materialparameter berücksichtigt. Ausgewählte Stromrichterkonzepte für diese Systeme werden detailliert betrachtet, wobei vor allem Resonanzstromrichter- und Pulsstromrichterkonzepte untersucht werden. Um die Eignung des jeweiligen Stromrichterkonzepts zur Speisung der schwach gedämpften Ultraschallsysteme beurteilen zu können, wird auch die Miniaturisierbarkeit der notwendigen Filterkomponenten und der erreichbare Wirkungsgrad betrachtet. Die Modelle für Aktor und Stromrichter werden zusammengefasst, und bilden eine grundlegende Basis, um piezoelektrische Ultraschallsysteme in einem ganzheitlichen Entwurf auszulegen.