壓電陶瓷變壓器及其應(yīng)用

壓電陶瓷變壓器是用鐵電陶瓷材料經(jīng)燒結(jié)和高壓極化等工藝制成的一種新型電子變壓器，其結(jié)構(gòu)和工作原理與電磁繞線式等傳統(tǒng)變壓器是截然不同的。
　　
人們對壓電陶瓷變壓器的研究始于20世紀50年代中后期。美國的Rosen于1956年闡述了壓電陶瓷變壓器的基本原理，并制備出長條形單片壓電陶瓷變壓器。由于當時的這種變壓器采用的是壓電性能差和居里溫度低的鈦酸鋇（BaTiO3）材料，功率太小，成本也太高，并且工藝不成熟，因而未能引起人們的重視。在20世紀60年代到70年代初，關(guān)于壓電陶瓷材料的研究取得了一些進展，在70年代壓電陶瓷變壓器發(fā)展成為一種新型的電子陶瓷變壓器，并在80年代被推廣應(yīng)用到電視機、雷達終端顯示器等的高壓電源領(lǐng)域。這一時期，人們對與壓電陶瓷變壓器相關(guān)的最熟悉的產(chǎn)品就是壓電陶瓷蜂鳴器和點火棒。進入90年代中期后，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及電子產(chǎn)品朝輕、薄、短、小方向發(fā)展的趨勢，使得壓電陶瓷變壓器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到長足進步和發(fā)展。
　　
1、壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　
壓電變壓器的工作原理基于壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是法國的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究鐵電性和晶體對稱性的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象。除了單晶體外，壓電陶瓷多晶體和某些非晶固體等也具有壓電效應(yīng)。
　　
壓電效應(yīng)分正和逆兩種類型。
　　
正壓電效應(yīng)是指在壓電體上加一個機械應(yīng)力時，會使壓電體極化并在一定的表面形成電荷的效應(yīng)。壓電陶瓷棒就是利用正壓電效應(yīng)工作的，給壓電棒加上機械壓力，在點火棒兩端即有高壓產(chǎn)生。
　　
逆壓電效應(yīng)是指在壓電體上有一個外加電場時，晶體會發(fā)生形變和振動，這一現(xiàn)象就是逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷蜂鳴器就是利用逆壓電效應(yīng)工作的，給壓電陶瓷片加上電壓信號，將會使陶瓷片振動并發(fā)出聲音。
　　
壓電陶瓷變壓器是利用同一壓電陶瓷并同時利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來工作的，即完成電能——機械能和機械能——電能的兩次能量轉(zhuǎn)換。
　
壓電陶瓷變壓器所使用的壓電陶瓷材料除了BaTiO3外，還有PZT系壓電陶瓷、三元系壓電陶瓷（如鈮鎂鈷鈦酸鉛系、鈮鋅鋯鈦酸鉛系、碲錳鋯鈦酸鉛系、銻錳鋯鈦鉛酸系等）及四元系壓電陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3）等]。
　　
最簡單同時也是最為常用的壓電陶瓷變壓器是長條形單片壓電陶瓷變壓器（即Rosen型壓電變壓器），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可知，整個變壓器分為兩部分：左半部分上下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度（上下）方向極化，這部分作為電壓輸入端，稱為驅(qū)動部分；右半部分的端頭為燒滲的銀電極，沿陶瓷片長度方向（從左到右）極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當一個交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時，通過逆壓電效應(yīng)使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生伸縮振動，將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能；發(fā)電部分感受到驅(qū)動部分產(chǎn)生的機械振動后，通過正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，并在輸出端產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓。當輸入與輸出端的阻抗不相等時，它們的電壓和電流也不相等，從而可以實現(xiàn)輸入和輸出之間的電壓和電流變換功能。[!--empirenews.page--]

圖1所示的壓電變壓器的長度遠大于厚度，輸入阻抗遠小于輸出阻抗，可以用來實現(xiàn)升壓目的。這種變壓器在空載和諧振狀態(tài)下的最大升壓比為：

（1）
　　式中：Vout和Vin分別為輸出電壓和輸入電壓；Qm為材料的機械品質(zhì)因素；K31和K33分別為材料的橫向和縱向機電耦合系數(shù)；L為驅(qū)動部分長度；t為陶瓷片厚度。
變壓器的最大效率為：

　　
(2)如果將圖1中的發(fā)電部分作為壓電變壓器的驅(qū)動部分，而將驅(qū)動部分作為壓電變壓器的發(fā)電部分（如圖2所示），于是發(fā)電部分的輸入阻抗大于驅(qū)動部分的輸出阻抗，致使輸出端的電壓降低，電流增大，便成為一種降壓型壓電陶瓷變壓器。由于壓電陶瓷降壓變壓器的輸出阻抗比較大，很難小于100Ω，因此輸出電流比較小。

圖3所示是日本NEC公司利用K1振動模式的壓電陶瓷降壓變壓器示意圖，圖4所示為采用徑向振動模式的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的結(jié)構(gòu)示圖。

　　
單片壓電陶瓷變壓器比較小，功率也比較低。在上一個世紀90年代，人們將制備多層片式陶瓷電容器（MLCC）的工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制作中，于是制成了多層片式壓電陶瓷變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種N層結(jié)構(gòu)的壓電變壓器，每層的極化方向相反，各電極采用叉指方式交替地連接。通過調(diào)整陶瓷層數(shù)可以有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變變壓比。圖6所示為驅(qū)動和發(fā)電部分分別采用多層陶瓷和內(nèi)電極結(jié)構(gòu)的升壓和降壓變壓器示圖。
　　
2、壓電陶瓷變壓器的特點
　　
壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和原理與傳統(tǒng)電磁變壓器截然不同，其特點如下：
　　
（1）體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。
　　
（2）安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁心和線組線圈，沒有磁飽和問題，不會因負載短路而燒毀，也不怕潮濕。
　　
（3）功率轉(zhuǎn)換效率高，一般可達95%，最高可達98%。
　　
（4）能量傳輸是以高頻振動的壓電方式實現(xiàn)的，不會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），也不會受到外界的電磁干擾。
　　
（5）不產(chǎn)生反峰電壓，輸出標準正弦波電壓。
　　
盡管壓電陶瓷變壓器具有以上這些優(yōu)點，但也存在一些不足，例如：
　　
a．壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可達20W（如NEC制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達20W以上，諧振頻率為140KHz，在20W時的轉(zhuǎn)換效率為97%）乃至30~40W，但目前成熟產(chǎn)品的輸出功率不超過10W，因此僅適用小功率、小電流和高電壓領(lǐng)域。 [!--empirenews.page--]
　
b．只有當輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時，才有最大的輸出電壓，如果偏離諧振頻率，電壓下降的幅度較大。因此，壓電陶瓷變壓器與傳統(tǒng)繞線式變壓器不同，其工作頻率范圍比較窄。
　　
c．壓電陶瓷變壓器所涉及的相關(guān)控制和驅(qū)動電路比較復(fù)雜，這會使系統(tǒng)成本增加，可靠性變差。
　　
d．對安裝固定與配置要求比較嚴格。壓電陶瓷變壓器有半波模諧振和全波模諧振兩種安裝狀態(tài)，如圖7所示。在固定陶瓷片時，支撐點必須選定在振動位移為零處，即半波模諧振的支撐點在陶瓷片的中間，全波模諧振的支撐點在距左端的1/4處，否則會影響升壓比和轉(zhuǎn)換效率。
　　
3、壓電陶瓷變壓器的應(yīng)用及其配套電路
　　
3.1 應(yīng)用領(lǐng)域
　　
從目前發(fā)展現(xiàn)狀看，升壓型壓電陶瓷變壓器超前于降壓型壓電變壓器。升壓型壓電陶瓷變壓器的主要應(yīng)用有：冷陰極熒光燈（CCFL）驅(qū)動電路、液晶顯示器（LCD）背光照明、電子警棍、負離子發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復(fù)印機、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置中；降壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用有計算機、手機、攝像機等便攜式電子設(shè)備的AC-DC適配器及各種DC-DC模塊電源、各種超小型模塊電源、手提充電器等。

壓電陶瓷變壓器符合電子產(chǎn)品向小型化、輕量化、薄型化、高效化和高可靠等方面發(fā)展的要求，其應(yīng)用前景令人樂觀，在高壓、低功率、小電流領(lǐng)域中有著比較大的顯在市場和潛在市場。
　　
3.2 配套驅(qū)動電路舉例
　　
壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動電路有單端單開關(guān)、推挽、半橋和半橋四種驅(qū)動方式，其中單端驅(qū)動電路適用于驅(qū)動小功率壓電陶瓷變壓器。圖8所示為基于DIT8545專用控制IC的LCD背光源冷陰極熒光燈（CCFL）驅(qū)動電路。圖中，CT為壓電陶瓷變壓器，通過適當選擇IC（DIT8545）②腳上R1和①腳上C2值，使IC輸出頻率為CT的諧振頻率相一致。如果CT工作效率為135kHz，可以選取R1=13.8kΩ，C2=470PF。當IC⑨腳上的輸出驅(qū)動開關(guān)VT1導(dǎo)通時，電流通過電感器L1存儲能量；當VT1關(guān)斷時，L1中的儲能釋放，在L1中產(chǎn)生一個反電勢脈沖加到壓電變壓器的輸入端（即1、2端），于是在其輸出端產(chǎn)生一個正弦波高電壓為CCFL供電。因此，圖8所示的電路是一種DC-AC轉(zhuǎn)換器，它將3~13.5V的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻高電壓。CT的輸出電壓和輸出電流大小視CCFL規(guī)格而定，在一般情況下，CCFL的工作電壓范圍為200~600V，輸出電流為2~8mA。圖8中的RV1、R8、VD2、C7和R9組成燈開路檢測電路，R7（燈電流傳感電阻）、VD1、C6、R6組成燈電流檢測電路，IC還提供開/關(guān)控制及模擬調(diào)光等功能。
　　
圖9所示為單端驅(qū)動的高壓電源原理圖。該電路是一個DC-DC升壓變換器，壓電陶瓷變壓器KH3005尺寸為30mm×5mm×6mm，諧振頻率為55kHz，輸出額定功率為3.5W，其輸入脈沖幅度為電源電壓VCC的2倍，輸出高頻電壓經(jīng)VD1和VD2整流及電容C濾波，產(chǎn)生約3000V的DC電壓。

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圖9 高壓電源原理圖
 

　
4、壓電陶瓷變壓器發(fā)展趨勢
　　
與其它陶瓷元器件一樣，日本在壓電陶瓷變壓器方面擁有非常雄厚的技術(shù)實力，NEC、Tamura、日本金屬、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田（Hodan）、村田制作所（Murata）、Panasonic、TOTO、京瓷（Kyocera）、東京工業(yè)大學(xué)、山形大學(xué)等公司和研究機構(gòu)都卷入到壓電陶瓷變壓器的研發(fā)。美國賓州州立大學(xué)智能材料實驗室、德州儀器（TI）、摩托羅拉、德國西門子、荷蘭飛利浦、法國阿爾卡特公司、波蘭陶瓷研究所、韓國Tronix公司和DFT公司、中國臺灣地區(qū)的先寧電子和新巨公司等多家公司也都從事壓電陶瓷變壓器材料與器件的研發(fā)。
　　
中國大陸從事壓電陶瓷變壓器研發(fā)的單位有西安康鴻、深圳富康、中國電子科技集團公司第26研究所、北京漢之源、北京海特創(chuàng)源、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等。
　　
未來幾年壓電陶瓷變壓器的發(fā)展趨勢是其具有更高的升壓比、更小的體積和更低的驅(qū)動電壓，要求像阻容元件那樣系列化、規(guī)范化、片式小型化。為此，各大研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)廠商都在圍繞以下三個方面開展工作：
　　
1．繼續(xù)開發(fā)大功率壓電陶瓷材料
　　
壓電陶瓷變壓器是利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應(yīng)，并以其諧振頻率激發(fā)出電壓，因此，要求壓電陶瓷材料具有高的機電耦合系數(shù)，高的機械品質(zhì)因素；同時，要求介質(zhì)損耗tgδ要很低，以避免工作時產(chǎn)生損耗發(fā)熱，為了進一步提高升壓比，應(yīng)開發(fā)振動速度更高的壓電陶瓷材料。另外，為了制作小功率（<1W）的微型變壓器，應(yīng)開發(fā)壓電膜變壓器。
　　
2．研究大功率的結(jié)構(gòu)形式
　　
目前，使用的壓電陶瓷變壓器多數(shù)為單片形或多層長條形的，這種結(jié)構(gòu)的器件制作工藝簡單，升壓比較高，但負載能力差，功率小，功率密度<14W/cm3，一般用于高電壓、小電流、高阻抗負載。要適應(yīng)大功率的應(yīng)用，必須開發(fā)圓片形、方片形或圓環(huán)多層獨石結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷變壓器，這一類的器件制備工藝相對復(fù)雜些，但功率密度和承載能力要比長條形器件的大，現(xiàn)有報道，這類結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷變壓器功率密度可達40W/cm3，負載100KΩ的有效升壓比可達80倍，而長條單片型負載100KΩ的有效升壓比<10倍，疊層形負載100KΩ的有效升壓比<50倍。
　　
3．驅(qū)動、控制電路集成化
　　
壓電陶瓷變壓器能否充分發(fā)揮其高轉(zhuǎn)換效率，工作時功率的大小，很大程度上取決于驅(qū)動電路和反饋控制電路的優(yōu)劣。有必要研究開發(fā)頻率的跟蹤范圍寬，能可靠控制壓電陶瓷變壓器始終在其諧振點工作，體積小、成本低的集成電路，能與壓電陶瓷變壓器配套裝配成各種規(guī)格的電源模塊，供應(yīng)市場，便于壓電陶瓷變壓器的推廣應(yīng)用。