Demand for power electronics with smaller volume, lighter weight, and lower cost will eventually require new converter energy storage technologies with fundamentally higher power density and efficiency limits. This motivates investigation into piezoelectric resonators (PRs), which offer very high power density and efficiency capabilities and significantly improved scaling properties compared to magnetics. PRs have been used in power conversion previously, but the realm of possible converter implementations using only PRs for energy storage has seen little exploration. In this work, we enumerate and evaluate dc–dc converter topologies and switching sequences that best utilize a PR as the only energy storage component, and that enable low-loss resonant “soft charging” of the PR's input capacitance with voltage regulation capability. To compare these implementations, we present analysis techniques for their operation and periodic steady-state solutions considering practical constraints. In addition, we provide useful techniques for estimating PR utilization and efficiency, which we validate experimentally in a 200–100-V, 25-W rated prototype. This prototype exhibits peak efficiency $>$99% as well as high efficiency ($\geq$96%) across a wide range of operating conditions, illustrating the promise of PR-based converters for high voltage, low power applications. This article is accompanied by an instructional video for selecting and analyzing PR-based dc–dc converter implementations.

中文翻译：

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基于压电谐振器的 DC-DC 转换器实现的列举和分析

对体积更小、重量更轻、成本更低的电力电子设备的需求最终将需要具有更高功率密度和效率限制的新型转换器储能技术。这激发了对压电谐振器 (PR) 的研究，与磁性相比，它提供了非常高的功率密度和效率能力，并显着改善了缩放特性。PR 之前已用于功率转换，但仅使用 PR 进行能量存储的可能转换器实现领域鲜有探索。在这项工作中，我们列举并评估了 DC-DC 转换器拓扑结构和开关序列，它们最好地利用 PR 作为唯一的能量存储组件，并且能够对具有电压调节能力的 PR 输入电容进行低损耗谐振“软充电”。为了比较这些实现，我们提出了考虑实际约束的操作和周期性稳态解决方案的分析技术。此外，我们提供了用于估计 PR 利用率和效率的有用技术，我们在 200-100-V、25-W 额定原型中进行了实验验证。该原型在广泛的工作条件下表现出 $>$99% 的峰值效率以及高效率 ($\geq$96%)，说明基于 PR 的转换器在高电压、低功率应用中的前景。本文附有用于选择和分析基于 PR 的 dc-dc 转换器实现的教学视频。我们提供了用于估计 PR 利用率和效率的有用技术，我们在 200-100-V、25-W 额定原型中进行了实验验证。该原型在广泛的工作条件下表现出 $>$99% 的峰值效率以及高效率 ($\geq$96%)，说明基于 PR 的转换器在高电压、低功率应用中的前景。本文附有用于选择和分析基于 PR 的 dc-dc 转换器实现的教学视频。我们提供了用于估计 PR 利用率和效率的有用技术，我们在 200-100-V、25-W 额定原型中进行了实验验证。该原型在广泛的工作条件下表现出 $>$99% 的峰值效率以及高效率 ($\geq$96%)，说明基于 PR 的转换器在高电压、低功率应用中的前景。本文附有用于选择和分析基于 PR 的 dc-dc 转换器实现的教学视频。