压电陶瓷变压器及其应用

压电陶瓷变压器是用铁电陶瓷材料经烧结和高压极化等工艺制成的一种新型电子变压器，其结构和工作原理与电磁绕线式等传统变压器是截然不同的。
　　
人们对压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代中后期。美国的Rosen于1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本原理，并制备出长条形单片压电陶瓷变压器。由于当时的这种变压器采用的是压电性能差和居里温度低的钛酸钡（BaTiO3）材料，功率太小，成本也太高，并且工艺不成熟，因而未能引起人们的重视。在20世纪60年代到70年代初，关于压电陶瓷材料的研究取得了一些进展，在70年代压电陶瓷变压器发展成为一种新型的电子陶瓷变压器，并在80年代被推广应用到电视机、雷达终端显示器等的高压电源领域。这一时期，人们对与压电陶瓷变压器相关的最熟悉的产品就是压电陶瓷蜂鸣器和点火棒。进入90年代中期后，随着信息产业的迅猛发展及电子产品朝轻、薄、短、小方向发展的趋势，使得压电陶瓷变压器技术与产业得到长足进步和发展。
　　
1、压电陶瓷变压器的结构与工作原理
　　
压电变压器的工作原理基于压电材料的压电效应。压电效应是法国的P Curie和J Curie兄弟在1880年研究铁电性和晶体对称性的关系时发现的一种物理现象。除了单晶体外，压电陶瓷多晶体和某些非晶固体等也具有压电效应。
　　
压电效应分正和逆两种类型。
　　
正压电效应是指在压电体上加一个机械应力时，会使压电体极化并在一定的表面形成电荷的效应。压电陶瓷棒就是利用正压电效应工作的，给压电棒加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。
　　
逆压电效应是指在压电体上有一个外加电场时，晶体会发生形变和振动，这一现象就是逆压电效应。压电陶瓷蜂鸣器就是利用逆压电效应工作的，给压电陶瓷片加上电压信号，将会使陶瓷片振动并发出声音。
　　
压电陶瓷变压器是利用同一压电陶瓷并同时利用正压电效应和逆压电效应来工作的，即完成电能——机械能和机械能——电能的两次能量转换。
　
压电陶瓷变压器所使用的压电陶瓷材料除了BaTiO3外，还有PZT系压电陶瓷、三元系压电陶瓷（如铌镁钴钛酸铅系、铌锌锆钛酸铅系、碲锰锆钛酸铅系、锑锰锆钛铅酸系等）及四元系压电陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3）等]。
　　
最简单同时也是最为常用的压电陶瓷变压器是长条形单片压电陶瓷变压器（即Rosen型压电变压器），其结构如图1所示。

从图1可知，整个变压器分为两部分：左半部分上下两面都有烧渗的银电极，沿厚度（上下）方向极化，这部分作为电压输入端，称为驱动部分；右半部分的端头为烧渗的银电极，沿陶瓷片长度方向（从左到右）极化，作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压电变压器的输入端时，通过逆压电效应使压电变压器沿长度方向产生伸缩振动，将输入的电能转换为机械能；发电部分感受到驱动部分产生的机械振动后，通过正压电效应将机械能转换为电能，并在输出端产生连续的正弦波电压。当输入与输出端的阻抗不相等时，它们的电压和电流也不相等，从而可以实现输入和输出之间的电压和电流变换功能。 [p]

图1所示的压电变压器的长度远大于厚度，输入阻抗远小于输出阻抗，可以用来实现升压目的。这种变压器在空载和谐振状态下的最大升压比为：

（1）
　　式中：Vout和Vin分别为输出电压和输入电压；Qm为材料的机械品质因素；K31和K33分别为材料的横向和纵向机电耦合系数；L为驱动部分长度；t为陶瓷片厚度。
变压器的最大效率为：

　　
(2)如果将图1中的发电部分作为压电变压器的驱动部分，而将驱动部分作为压电变压器的发电部分（如图2所示），于是发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出端的电压降低，电流增大，便成为一种降压型压电陶瓷变压器。由于压电陶瓷降压变压器的输出阻抗比较大，很难小于100Ω，因此输出电流比较小。

图3所示是日本NEC公司利用K1振动模式的压电陶瓷降压变压器示意图，图4所示为采用径向振动模式的自耦式压电陶瓷降压变压器的结构示图。

　　
单片压电陶瓷变压器比较小，功率也比较低。在上一个世纪90年代，人们将制备多层片式陶瓷电容器（MLCC）的工艺移植到压电陶瓷变压器的制作中，于是制成了多层片式压电陶瓷变压器，其结构如图5所示。这种N层结构的压电变压器，每层的极化方向相反，各电极采用叉指方式交替地连接。通过调整陶瓷层数可以有效地改变变压器的输入阻抗和输出阻抗，从而改变变压比。图6所示为驱动和发电部分分别采用多层陶瓷和内电极结构的升压和降压变压器示图。
　　
2、压电陶瓷变压器的特点
　　
压电陶瓷变压器的结构和原理与传统电磁变压器截然不同，其特点如下：
　　
（1）体积小、重量轻、超薄型，最适宜片式化。
　　
（2）安全性好，可靠性高。它采用不燃烧的压电陶瓷制成，没有磁心和线组线圈，没有磁饱和问题，不会因负载短路而烧毁，也不怕潮湿。
　　
（3）功率转换效率高，一般可达95%，最高可达98%。
　　
（4）能量传输是以高频振动的压电方式实现的，不会产生电磁干扰（EMI），也不会受到外界的电磁干扰。
　　
（5）不产生反峰电压，输出标准正弦波电压。
　　
尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点，但也存在一些不足，例如：
　　
a．压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W（如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上，谐振频率为140KHz，在20W时的转换效率为97%）乃至30~40W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。 [p]
　
b．只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时，才有最大的输出电压，如果偏离谐振频率，电压下降的幅度较大。因此，压电陶瓷变压器与传统绕线式变压器不同，其工作频率范围比较窄。
　　
c．压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂，这会使系统成本增加，可靠性变差。
　　
d．对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波模谐振和全波模谐振两种安装状态，如图7所示。在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零处，即半波模谐振的支撑点在陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处，否则会影响升压比和转换效率。
　　
3、压电陶瓷变压器的应用及其配套电路
　　
3.1 应用领域
　　
从目前发展现状看，升压型压电陶瓷变压器超前于降压型压电变压器。升压型压电陶瓷变压器的主要应用有：冷阴极荧光灯（CCFL）驱动电路、液晶显示器（LCD）背光照明、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中；降压型压电陶瓷变压器主要应用有计算机、手机、摄像机等便携式电子设备的AC-DC适配器及各种DC-DC模块电源、各种超小型模块电源、手提充电器等。

压电陶瓷变压器符合电子产品向小型化、轻量化、薄型化、高效化和高可靠等方面发展的要求，其应用前景令人乐观，在高压、低功率、小电流领域中有着比较大的显在市场和潜在市场。
　　
3.2 配套驱动电路举例
　　
压电陶瓷变压器的驱动电路有单端单开关、推挽、半桥和半桥四种驱动方式，其中单端驱动电路适用于驱动小功率压电陶瓷变压器。图8所示为基于DIT8545专用控制IC的LCD背光源冷阴极荧光灯（CCFL）驱动电路。图中，CT为压电陶瓷变压器，通过适当选择IC（DIT8545）②脚上R1和①脚上C2值，使IC输出频率为CT的谐振频率相一致。如果CT工作效率为135kHz，可以选取R1=13.8kΩ，C2=470PF。当IC⑨脚上的输出驱动开关VT1导通时，电流通过电感器L1存储能量；当VT1关断时，L1中的储能释放，在L1中产生一个反电势脉冲加到压电变压器的输入端（即1、2端），于是在其输出端产生一个正弦波高电压为CCFL供电。因此，图8所示的电路是一种DC-AC转换器，它将3~13.5V的直流电压转换为高频高电压。CT的输出电压和输出电流大小视CCFL规格而定，在一般情况下，CCFL的工作电压范围为200~600V，输出电流为2~8mA。图8中的RV1、R8、VD2、C7和R9组成灯开路检测电路，R7（灯电流传感电阻）、VD1、C6、R6组成灯电流检测电路，IC还提供开/关控制及模拟调光等功能。
　　
图9所示为单端驱动的高压电源原理图。该电路是一个DC-DC升压变换器，压电陶瓷变压器KH3005尺寸为30mm×5mm×6mm，谐振频率为55kHz，输出额定功率为3.5W，其输入脉冲幅度为电源电压VCC的2倍，输出高频电压经VD1和VD2整流及电容C滤波，产生约3000V的DC电压。

[p]

图9 高压电源原理图
 

　
4、压电陶瓷变压器发展趋势
　　
与其它陶瓷元器件一样，日本在压电陶瓷变压器方面拥有非常雄厚的技术实力，NEC、Tamura、日本金属、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田（Hodan）、村田制作所（Murata）、Panasonic、TOTO、京瓷（Kyocera）、东京工业大学、山形大学等公司和研究机构都卷入到压电陶瓷变压器的研发。美国宾州州立大学智能材料实验室、德州仪器（TI）、摩托罗拉、德国西门子、荷兰飞利浦、法国阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所、韩国Tronix公司和DFT公司、中国台湾地区的先宁电子和新巨公司等多家公司也都从事压电陶瓷变压器材料与器件的研发。
　　
中国大陆从事压电陶瓷变压器研发的单位有西安康鸿、深圳富康、中国电子科技集团公司第26研究所、北京汉之源、北京海特创源、中国科学院上海硅酸盐研究所等。
　　
未来几年压电陶瓷变压器的发展趋势是其具有更高的升压比、更小的体积和更低的驱动电压，要求像阻容元件那样系列化、规范化、片式小型化。为此，各大研发机构和生产厂商都在围绕以下三个方面开展工作：
　　
1．继续开发大功率压电陶瓷材料
　　
压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应，并以其谐振频率激发出电压，因此，要求压电陶瓷材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因素；同时，要求介质损耗tgδ要很低，以避免工作时产生损耗发热，为了进一步提高升压比，应开发振动速度更高的压电陶瓷材料。另外，为了制作小功率（<1W）的微型变压器，应开发压电膜变压器。
　　
2．研究大功率的结构形式
　　
目前，使用的压电陶瓷变压器多数为单片形或多层长条形的，这种结构的器件制作工艺简单，升压比较高，但负载能力差，功率小，功率密度<14W/cm3，一般用于高电压、小电流、高阻抗负载。要适应大功率的应用，必须开发圆片形、方片形或圆环多层独石结构的压电陶瓷变压器，这一类的器件制备工艺相对复杂些，但功率密度和承载能力要比长条形器件的大，现有报道，这类结构的压电陶瓷变压器功率密度可达40W/cm3，负载100KΩ的有效升压比可达80倍，而长条单片型负载100KΩ的有效升压比<10倍，叠层形负载100KΩ的有效升压比<50倍。
　　
3．驱动、控制电路集成化
　　
压电陶瓷变压器能否充分发挥其高转换效率，工作时功率的大小，很大程度上取决于驱动电路和反馈控制电路的优劣。有必要研究开发频率的跟踪范围宽，能可靠控制压电陶瓷变压器始终在其谐振点工作，体积小、成本低的集成电路，能与压电陶瓷变压器配套装配成各种规格的电源模块，供应市场，便于压电陶瓷变压器的推广应用。