壓電變壓器 - 電子變壓器的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　4 壓電變壓器

　　4.1 概述

　　壓電變壓器是20世紀(jì)50年代后期開始研制的一種新型壓電器件，最早由C. A. Rosen于1956年發(fā)明。即時的壓電陶瓷材料是以鈦酸鋇（BaTiO3）為主，其壓電性能低，制成的壓電變壓器升壓比很低，僅有50~60倍，輸出電壓僅為3kV，實(shí)用價值不大，未能引起人們的重視［8~12］。

　　隨著鋯鈦酸鉛（PbZrTiO3）等高機(jī)電耦合系數(shù)Kp和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，壓電變壓器的研制才取得了顯著的進(jìn)展。目前已能生產(chǎn)升壓比為300~500，輸出功率50W以上的壓電變壓器。

　　20世紀(jì)80年代初，清華大學(xué)提出了多層獨(dú)石化壓電變壓器的創(chuàng)意及概念，并在國際上最早開展了多層壓電變壓器的研究。

　　4.2 壓電變壓器的結(jié)構(gòu)

　　壓電陶瓷變壓器最為常用的是長條片狀結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，并且具有較高升壓比和較大的輸出功率。這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖5所示。

　　圖5 壓電變壓器的形狀和原理

　　整個長條片型壓電陶瓷變壓器中分成兩部分：左半部的上、下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極比，作為輸入端，稱為驅(qū)動部分;右半部分的右端也有燒滲的銀電極，沿長度方向極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。

　　左半部分和右半部分兩片壓電陶瓷片緊緊牢固地結(jié)合在一起。

　　制備好的壓電陶瓷晶體在居里溫度下屬四方晶相多電疇結(jié)構(gòu)，經(jīng)高壓電場極化后因電疇轉(zhuǎn)向，陶瓷體內(nèi)極化強(qiáng)度不為零而具有壓電性。當(dāng)在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅(qū)動部分）加上交變電壓時，由于逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷變壓器產(chǎn)生長度方向上的伸縮振動，輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在發(fā)電部分由于存在縱向振動，通過正壓電效應(yīng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，因此在輸出端由電壓輸出。壓電陶瓷變壓器的能量轉(zhuǎn)換過程與電磁變壓器截然不同，是從電能到機(jī)械能又到電能的物理過程。

　　當(dāng)壓電陶瓷變壓器輸入端加上頻率為瓷片固有諧振頻率的交變電壓時，通過逆壓電效應(yīng)，瓷片產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動，將輸入電能轉(zhuǎn)變機(jī)械能;而發(fā)電部分則通過正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能從而輸出電壓，因瓷片的長度遠(yuǎn)大于厚度，故輸出端阻抗遠(yuǎn)大于輸入端阻抗，輸出端電壓遠(yuǎn)大于輸入端電壓，一般輸入幾伏到幾十伏的交變電壓，可以獲得幾千伏以上的高壓輸出。

　　4.3 壓電變壓器的特性

　　（1）轉(zhuǎn)換效率高。滿載時達(dá)到97%以上（電阻性負(fù)載）。

　　（2）超薄。能量密度很大，相應(yīng)體積可以做到很小，很薄。厚度一般不超過4mm，最適宜片式化。

　　（3）輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，不受變壓器輸入波形畸變的影響。

　　（4）對于低阻負(fù)載具有準(zhǔn)恒流輸出特性。

　　（5）諧振變壓器。可實(shí)現(xiàn)零電壓、零電流轉(zhuǎn)換。

　　（6）變壓器輸入輸出之間耐壓高，漏流小，一般情況下，變壓器的輸入輸出之間在3700VDC / 分下，漏流《20μA，在3000VAC ∕ 分下，漏流﹤200μA。

　　（7）變壓器自身具有很好的濾波功能。

　　（8）變壓器具有短路自動保護(hù)功能。

　　（9）不產(chǎn)生反峰壓，可靠保護(hù)功率放大電路。

　　（10）沒有電磁干擾。由于換能的過程是由機(jī)械振動完成，并不是電磁轉(zhuǎn)換，不會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），也不會受到外界的電磁干擾。

　　（11）環(huán)境適用性強(qiáng)，耐低溫、耐高溫、耐酸、耐堿、不會霉變，壽命長。抗鹽霧，耐候性好，尤其適于海洋性氣候使用。

　　（12）安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁芯和繞組線圈，沒有磁飽和問題，不會因負(fù)載短路而燒毀，也不怕潮濕。

　　4.4 壓電陶瓷變壓器存在一些不足

　　（1）壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然輸出功率可達(dá)到20W乃至30~40W，但目前成熟產(chǎn)品的輸出功率不超過10W，故此僅適用小功率、小電流和高電壓領(lǐng)域。

　　（2）工作頻率范圍比較窄。只有當(dāng)輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時，才有最大輸出電壓，如果偏離諧振頻率，電壓下降的幅度較大。

　　（3）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。

　　（4）對安裝固定與配置要求比較嚴(yán)格。壓電陶瓷變壓器有半波膜諧振和全波膜諧振兩種安裝狀態(tài)。在固定陶瓷片時，支撐點(diǎn)必須選定在振動位移為零處，即半波膜諧振的支撐點(diǎn)在陶瓷片的中間，全波模諧振的支撐點(diǎn)在距左端的1/4處，否則會影響升壓比和轉(zhuǎn)換效率。

　　4.5 壓電變壓器的應(yīng)用

　　壓電變壓器經(jīng)過30多年的發(fā)展，器件的材料、驅(qū)動電路及控制電路均已發(fā)展成熟，目前已被應(yīng)用于筆記本電腦及手機(jī)的LCD的背光驅(qū)動高壓源、直流開關(guān)電源和霓虹燈驅(qū)動等方面。

　　（1）驅(qū)動冷陰極管

　　液晶顯示器顯示圖像時需要均勻的背光，背光由一支或多支冷陰極熒光燈管（CCCF）發(fā)光來提供。多層壓電變壓器的升降比高，高壓下工作不會擊穿，電磁干擾小，非常適合驅(qū)動CCFL，近年來在LCD背光電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　（2）DC-DC變換器

　　從低損耗的角度來講，能量轉(zhuǎn)換效率提高。符合嚴(yán)格的安全及噪聲規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。

　　（3）用于安全防爆系統(tǒng)中的電警棍、防盜網(wǎng)、提款箱、運(yùn)鈔車和保險柜等。

　　（4）影像管、液晶顯示器中的冷陰極管、霓虹燈管、激光管或X光管、高壓靜電噴涂、高壓靜電植絨和雷達(dá)顯示管。

　　（5）點(diǎn)火系統(tǒng)中的高壓脈沖點(diǎn)火器等以及影印機(jī)、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、靜電發(fā)生器、靜電復(fù)印機(jī)、醫(yī)療器材、空氣清新機(jī)、臭氧清毒柜以及軍事和航天設(shè)備等。

　　5 薄膜變壓器

　　5.1 概述

　　薄膜變壓器由于具有信號隔離和傳輸?shù)奶匦裕遣豢扇鄙俚碾娮釉Ｓ绕涫撬哂行盘柡铣珊托盘栟D(zhuǎn)換的特點(diǎn)，與其它電子器件和電路實(shí)現(xiàn)方式相比具有無可替代的優(yōu)勢［13~15］。

　　對此，20世紀(jì)90年代，國外研究人員已進(jìn)行了大量研究，如K. Yamasawa等用10μm厚的金屬薄膜作為磁芯制造功率變壓器，其效率達(dá)到78.0﹪。功率密度僅為3mW/cm2。

　　M. Yamaguchixi 等采用濺射CoNbZr合金制造出較高功率和效率的變壓器，工作在10MHz時達(dá)到60.0﹪的效率和0.8W/cm2的功率密度。而同樣通過濺射帶狀絲和非晶CoNbZr薄膜，日本H. Tsujimoto等構(gòu)造出4mm×9mm的一種新型薄膜變壓器一一針孔器件，在300MHz~900MHz頻率范圍內(nèi)有超過50﹪的傳輸效率。

　　H. S. midorikawa采用Z型線圈和Co-Zr磁芯，研究出應(yīng)于多層開關(guān)調(diào)節(jié)器的平面膜變壓器，在1MHz頻率工作時效率可達(dá)到77.5﹪。

　　愛爾蘭的Terence D’ Donnell等人研制了在5MHz~10MHz范圍內(nèi)輸出功率3.5W，傳輸效率達(dá)到82﹪的NiFe合金磁芯的薄膜變壓器。

　　另外A. H. Miklich等人探討了采用超導(dǎo)薄膜制作薄膜變壓器的相關(guān)問題及其可能的應(yīng)用。

　　5.2 一種PCB薄膜變壓器

　　電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗室梁棟、張懷武采用倒園角矩形的螺旋繞線形式，利用柔性雙層PCB板，采用中間過孔方式加大線圈單位面積的繞線匝數(shù)，以此有效增加單位面積上的電感量及耦合，制備出如圖6所示的面積為20mm×20mm，線寬0.2mm、線間距0.3mm，匝比為6:18的無芯變壓器。