【正文】 .............................................................................. 36 致謝 .............................................................................................................................. 40 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 41 第一章 緒論 5 第一章 緒論 壓電陶瓷變壓器發(fā)展概況 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。 本課題是研究壓電變壓器設(shè)計出 10kV 的直流高壓電源。目前壓電變壓器已用于電視顯像管、雷達(dá)顯示管、靜電復(fù)印機(jī)、靜電除塵、小功率激光管、離子發(fā)生器、高壓極化等高壓設(shè)備中 。在壓電陶瓷的電能 、 機(jī)械能 、 電能的機(jī)電能量的二次變換中實現(xiàn)阻抗變換，從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出。第一章 緒論 7 圖 12 厚度振動型壓電變壓器 徑向振動型壓電變壓器是一種處于發(fā)展中的新型壓電變壓器 ，其結(jié)構(gòu)如圖 13 所示。因此要推廣應(yīng)用還需要解決一系列問題。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 第二章 壓電陶瓷變壓器 工作原理和基本特性 壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理 壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)因其形狀 、電極和極化方向不同而有多種形式，其中長條片狀結(jié)構(gòu)的陶瓷變壓器最為常用，因其結(jié)構(gòu)衙單，制作容易 ， 并且具有較高升壓比和較大的輸出功率 。據(jù)此可以看出：當(dāng)材料和工藝確定后。即半波諧振頻率 fr1 或全波諧振頻率 2rf 。 (2)．只有當(dāng)輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時，才有最大的輸出電壓，如果偏離諧振頻率，電壓下降的幅度較大。 2. 轉(zhuǎn)換效率 ——負(fù)載特性：由于輸出功率是在負(fù)載電阻上測得， 總的功率損耗包括了壓電變壓器和整流電路的損耗， 因此陶瓷變壓器實際轉(zhuǎn)換效率應(yīng)大于曲線表示的轉(zhuǎn)換效率。 根據(jù)壓電陶瓷變壓器 的輸入 回路 的等效電路可以從壓電方程和波動方程導(dǎo)出、解長片型壓電振子的壓電方程： x3 31 1 33 3ED d x ??? 1 11 1 31 3Ex s x d E?? (2) 和波動方程： 221122 x=tu???? (3) 可得 ? ? 2x 31 1133 201 221 1 3 1s L tL 8 d LC = C = L =t s t 8 d????? ???、 、 (4) 其中 C0為輸入極板之間的夾片電容， C L1分別為壓電陶瓷變壓器等效電容和電感，其等效電路如圖 23 所示、理論分析和試驗結(jié)果表明，壓電陶瓷變壓器輸入回路呈串聯(lián)諧振時，升壓比 G 最高，如圖 23 所示、其諧振頻率為： /rLf N L? (5) 圖 23 壓電陶瓷變壓器輸入回路的等效電路 R L1 C1 C n 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 14 式中為陶瓷片諧振頻率 ． NL為頻率常數(shù)， L 為資瓷片的長度．從 (5)式可以 看出， 當(dāng)陶瓷片材料確定以后 ， rf 由 L 值確定。 sin n t ]5ntAf t tt? ?????? ? ??? (3) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 16 圖 25 縱向振動模式雅典變壓器等效電路及頻率特性 從圖 25 可知，壓電陶瓷變壓器是一個諧振體，當(dāng)激勵信號的頻率與變壓器的諧振頻率一致時，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖 l 可知，此時延長度方向振幅最大，壓電變化才最有效。測試結(jié)果如圖 27所示。測試條件為輸出端 開路 ，無整流電路 。若 ? = 4L，即壓電變壓器的長度等于半波長時 ，稱為半波諧振，此時，節(jié)點(diǎn)有一個，位于片長的中間。要克服這個問題，除了要求選用溫度特性較好的材料做變壓器外，在設(shè)計驅(qū)動電路時，一般要采取穩(wěn)壓措施，才能保證陶瓷變壓器工作的穩(wěn)定性 。門驅(qū) 動部 分提 供 50％ 占空比的方波，使 Ⅵ MS1 和 VMOS2 輪流導(dǎo)通，為壓電變壓器提供交 變的激勵 電壓，此電壓經(jīng)壓電變壓器升高，供給 CCFL。 (a)縱一縱式： (b)橫一縱式： (c)橫一橫式 圖 32 常見壓電變壓器結(jié)構(gòu) 縱一縱式和橫一橫式壓電變壓器是對稱結(jié)構(gòu) 。因此，必須放在壓電變壓器上節(jié)點(diǎn)上，或者說振動幅度最小的位置。我們所使用的顯示器行頻為 15． 695KHz(約 15． 7KHz)，利用顯示器的高次諧波 (四次諧波 )頻率為 15． 695KHz4=62． 780KHz 的來激勵陶瓷變壓器，使陶瓷變壓器工作在諧振狀態(tài)。 壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器采用高頻變壓器，它的初級線圈是與行偏轉(zhuǎn)線圈并聯(lián)的，在逆程期間，它與行偏轉(zhuǎn)線圈一樣也有逆程脈沖電虛加到初級線圈上。選擇較高的工作磁通密度，將可使高頻變壓器具有更小的體積 ,但是要注意避免磁芯的飽和，因為磁芯的飽和將意味著高頻變壓器勵磁電流將急劇 增加，這顯然 將會導(dǎo)致與之連接的高壓開關(guān)管承受極大的電流，電壓而損壞，選擇較小的工作磁通密度，減小了勵磁電流，降低了磁芯的損耗，對提高變壓器的效率，降低溫升也有利，但這是以體積的增大為代價。86=2． 42 則 400V 中壓次級匝數(shù)為： 2N =330247。在直流變換器中可通過提高變換電路的頻率獲得直流高壓，采用此種電路最為適宜。倍壓整流電路必須滿足如下要求： (1)高壓應(yīng)當(dāng)滿足所用顯象管的 技術(shù)條件 (2)應(yīng)當(dāng)保證規(guī)定的最大負(fù)載電流 (3)當(dāng)負(fù)載電流從零變化到最大值時，應(yīng)滿足高壓調(diào)整率的要求。 圖 36 溫度特性曲線 負(fù)載特性 該電源設(shè)計輸出電流 為 200μA，在輸入電壓 VC為 24V、輸出電壓為 10KV條件下，改變負(fù)載電阻，使輸電流從 0200μA 變化，測得輸出電壓變化量為100V，負(fù)載調(diào)整率 ≤ 1%。但是這些要求對傳統(tǒng)的直流變換器來說是難以達(dá)到的，因為其必須符合嚴(yán)格的安全及噪聲規(guī)范，如 UL， IEC 和 CISPR(無線電干擾特別委員會 )等的標(biāo)準(zhǔn)。 其它應(yīng)用研究及實用產(chǎn)品 上述兩種應(yīng)用是壓電變壓器最典型的應(yīng)用。 將它應(yīng)用于雷達(dá)顯示器高壓用源不僅縮小了這種電源的體積，而且大大提高了裝備的可靠性。今后，隋著高性能材料的開發(fā)，元件形狀和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及配套電路的完善，其應(yīng)用會更加完善 。 1. 壓電振蕩器原理 當(dāng)外加電壓的頻率 與壓電陶瓷的固有機(jī)械振動頻率相同時，就會引起共振，使振幅大大增加。 主要用于壓電蜂鳴器，如圖 46 所示 例如音樂賀卡、門鈴．尋呼機(jī)．移動電話機(jī)振鈴等。 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(fù)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(fù)載。通過對 PZT 材料進(jìn)行摻雜，微量取代 A 位或 B 位離子，產(chǎn)生晶格畸變，改變載流子濃度，可以改善 PZT 材料的性能。這種多層 Rosen 型壓電變壓器無論是輸出功率還是 升壓比都比單層的 Rosen 型壓電變壓器要大 。而壓電變壓器的輸入電源一般為低壓直流電因此。清華大學(xué)是 國際上最早研究多層壓電變壓器的單位，通過添加少量低熔點(diǎn)助燒劑 B2O3Bi2O3CdO 使 P2rT 陶瓷的燒結(jié)溫度從 1250℃降到 960℃，并 采用 Ag／ Pd 電極共燒成多層壓 電變壓器，交流無空載時的升壓比比傳統(tǒng)的單層壓電變壓器高 30～ 40倍 [8]。此外還要求材料的頻率穩(wěn)定性好，機(jī)械 強(qiáng)度高，以承受工作時的強(qiáng)的振動。為此，各大研發(fā)機(jī)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(jī)電耦合系數(shù)，高的機(jī)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(jìn)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。 如圖 44 所示 壓電陶瓷濾波器 圖 44 壓電陶瓷濾波器 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 34 壓電超聲換能器 1. 壓電超聲醫(yī)療儀 2. 壓電超聲馬達(dá) 3. 超聲波清洗 4. 壓電超聲霧化器 壓電蜂鳴器 壓電蜂鳴片由壓電陶瓷片和金屬振動板粘粘而成，如圖 45 所示 由振蕩電路激勵，通過逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片產(chǎn)生一相對應(yīng)的形 變即振動，當(dāng)振動頻率在音頻波段內(nèi)時就會發(fā)出對應(yīng)的音響。 h 圓柱體高度； F 作用力； A 受力圓柱體截面積； 圖 42 壓電點(diǎn)火實物圖 圖 43 壓電點(diǎn)火原理 第四章 壓電陶瓷變壓器在變壓器應(yīng)用及其他方面的應(yīng)用 33 壓電振蕩器和濾波器 作用在壓電陶瓷上的交變電壓會產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械振動。目前這種電源在國內(nèi)外形成規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于筆記本電腦和其它液晶顯示設(shè)備 [20]。另一種是由高壓變成低壓的降壓變壓器，現(xiàn)在仍處 于研究開發(fā)階段，只有個別的產(chǎn)品投入生產(chǎn)，現(xiàn)在見到已報道的最好的樣機(jī)，是日本富士通利用 LiNbO3單晶制成 15 mm15 mm 的壓電陶瓷變壓器，工作頻率 4 MHz，輸出功率 30~40W，可以用于降壓型開關(guān)電源。通過 1S 和 2S 的零電壓切換，壓電變壓器的輸?shù)谒恼? 壓電陶瓷變壓器在變壓器應(yīng)用及其他方面的應(yīng)用 31 入端 會產(chǎn)生準(zhǔn)方波波形 1sdV，由于壓電變壓器良好的諧振特性，其輸出端產(chǎn)生正弦波 2V ， 2V 經(jīng)整流后成為直流電壓供給負(fù)載。 DCDC(直流一直流 )變換器 當(dāng)今的電子設(shè)備小型化、輕型化的需求 日益突出，因此為其提供直流電壓的直流變換器也必須做到小型化和輕型化 [1]。20％ )可測得電源的輸入 輸出特性曲線如圖 35 所示，從圖 35 可以看出，這種設(shè) 計使得壓電陶瓷變壓器高壓電源具有很好的電壓穩(wěn)定性，電壓調(diào)整率 2%。圖中串接有三級半波被壓整流電路， C C C6 上的充電電壓均為 C1 上的充電電壓都的兩倍，三個電容串聯(lián)之后充電電壓 C1 上充電電壓的 6 倍。2A 初級線圈的電感量 Lp： 已知初級匝數(shù) NI： 57， E122 磁芯參數(shù)， 有 效截面積 S=0． 41c 2m ，有效磁路長度 Le=3． 96cm，鐵氧體的 μr 約為 800—5000，一般可取 1500，于是初級線圈的電感量 Lp 為： Lp=[(4 2914 ) / ] 1 0rS eN le?? ??=6 .3mH 滿足 PL 比 YL 大的要求， PL 對 YL 的分流作用可忽略 (5)．流過初級繞組最大電流計算 Ip=( 1 ONVT )／ 1L =2544 610? ／ 6． 3 310? = (6)． 穩(wěn)態(tài)工作磁場強(qiáng)度 H=0 42 1N Ip／ Le =0． 42570． 174／ 3 .96 = Oe ∵ Hmax 8 Oe ∴ HHmax 磁芯不飽和 倍壓整流電路的設(shè)計 陶瓷變壓器輸出倍壓整流電路常采用科克羅夫特一沃爾頓(CockcroftWalton)電路，如圖 34 所示 這種電路由 n 個整流元件和 n 個電容組成的 n 倍壓整流電路。0． 5V(自舉升壓 ) ONT =44 u S(實測 ) 01V =330V (實測 ) 02V =250V (實測 ) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 26 Vo=12KV Io=100 u A f=15． 695KHz≈15． 7KHz 3． 壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器實際計算 (1)．磁芯選取 驅(qū)動變壓器所選磁芯選用金寧無線電器材廠生產(chǎn)的錳一鋅鐵氧體 R2KBD材料，其型號為 E122， Bs =5l00Gs Br=1000Gs Hmax=8 0e Le=3． 96cm Se=0． 41 c 2m 。因此，陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器只利用軟磁鐵氧體磁滯回線的一個象限 ,磁通密度不是從 Bmax 至 +Bmax 變化，工作