Optimization of High-Voltage Boost Driver for Piezoelectric Micropumps

This master’s thesis laid out the methodology on optimization of an existing high-voltage boost driver used to drive a piezoelectric micropump for drug delivery applications. The micropump operates by applying alternating high-voltage signals to a piezoelectric actuator, enabling fluid transport through membrane deformation. The piezoelectric micropump inherently presents a capacitive load due to the nature of the piezoelectric material, and to function effectively, the actuator must be driven between voltage levels of +300 V and –80 V. These high voltage levels were generated by implementing embedded boost-converter circuit with an n-type MOSFET for positive voltage and p-type MOSFET for negative voltage. The optimization was performed through comprehensive circuit simulation in LTSpice validated by experimental measurements. This involved careful selection of MOSFETs, prioritizing low on-state resistance RDS(on) and sufficient breakdown voltage Vds to minimize conduction losses. Furthermore, PWM control was optimized by systematically analyzing the impact of switching frequency fsw and duty cycle D on converter performance. These adjustments directly reduced switching losses and improved the transient response. Comparative analysis of simulated voltage waveforms against experimental measurements confirms the achieved performance, demonstrating the converter’s capability to deliver the required output voltages.

Questa tesi magistrale ha illustrato la metodologia per l’ottimizzazione di un driver boost ad alta tensione esistente, utilizzato per pilotare una micropompa piezoelettrica destinata ad applicazioni di somministrazione di farmaci. La micropompa funziona applicando segnali di alta tensione alternati a un attuatore piezoelettrico, consentendo il trasporto del fluido tramite la deformazione di una membrana. A causa della natura del materiale piezoelettrico, la micropompa presenta intrinsecamente un carico capacitivo e, per operare in modo efficace, l’attuatore deve essere pilotato tra i livelli di tensione di +300 V e –80 V. Questi livelli di alta tensione sono stati generati mediante un circuito boost integrato, che utilizza un MOSFET di tipo n per la tensione positiva e un MOSFET di tipo p per la tensione negativa. L’ottimizzazione è stata condotta attraverso un’ampia simulazione circuitale in LTSpice, validata da misurazioni sperimentali. Essa ha comportato un’attenta selezione dei MOSFET, privilegiando una bassa resistenza di conduzione RDS(on) e un’adeguata tensione di rottura VDS, al fine di minimizzare le perdite di conduzione. Inoltre, il controllo PWM è stato ottimizzato analizzando sistematicamente l’impatto della frequenza di commutazione fsw e del ciclo di lavoro D sulle prestazioni del convertitore. Questi interventi hanno permesso di ridurre direttamente le perdite di commutazione e di migliorare la risposta transitoria. L’analisi comparativa delle forme d’onda di tensione simulate rispetto alle misurazioni sperimentali conferma le prestazioni ottenute, dimostrando la capacità del convertitore di fornire le tensioni di uscita richieste.