【正文】 和 CISPR(無線電干擾特別委員會 )等的標(biāo)準(zhǔn)。特別是因?yàn)殡姶抛儔浩鞯拇嬖冢绷髯儞Q器的重量和體積更是難以降低。用壓電變壓器取代電磁變壓器，上述問題便可迎刃而解。由壓電變壓器制做的 DCDC 變換器，如圖 41 所示。 圖 41 DCDC 變換器 基本的工作過程為：開關(guān) 1S 和 2S 以非常短暫的切換時(shí)間 (稱為 dead time)輪流導(dǎo)通。在此時(shí)間內(nèi)，電磁電流 Lri 通過 rL 向 1S 和 2S 的并聯(lián)輸出電容充電，因此 ZVS(零電壓切換 )術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。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。圖中的壓電變壓器僅重 65g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于傳統(tǒng)的電磁式變壓器，而且能量密度效率可以大大提高 。 其它應(yīng)用研究及實(shí)用產(chǎn)品 上述兩種應(yīng)用是壓電變壓器最典型的應(yīng)用。除此之外，壓電變壓器還被應(yīng)用于軍事方面，即利用其輸出電極端子放電引爆高壓雷管。民用方面的 應(yīng)用有高壓防盜器、高壓電擊棒、小型 x 光機(jī)、雷達(dá)、復(fù)印機(jī)、氦一氖和小型二氧化碳激光器等等。目前實(shí)用產(chǎn)品也比較多。如 NEC 公司及田村制作所先后向市場推出的用壓電變壓器制成的 LCD(液晶顯示器 )背光電源，京都技術(shù)研究所開發(fā) 的效率高達(dá) 90％，包含驅(qū)動電路在內(nèi)僅重 1． 78g 的第代手機(jī)背景驅(qū)動電源，Tamura 公司的 HBL 系列產(chǎn)品等。 現(xiàn)在壓電陶瓷變壓器的應(yīng)用分為兩種，一種是由低壓變成高壓的升壓變壓器，用于液晶顯示器、靜電除塵器和高壓電源中，國內(nèi)外都已形成規(guī)模生產(chǎn)。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(gè)別的產(chǎn)品投入生產(chǎn)，現(xiàn)在見到已報(bào)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。 由于壓電變壓器具有體積小、重量輕、不會擊穿、不怕短路、升壓比高、輸出阻抗高等特點(diǎn)，因此它主要應(yīng)用于需要高電壓小電流的領(lǐng)域。 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。 靜電噴塑設(shè)備需要 60Kv 的高壓，而傳統(tǒng)的供電電源是體積較大的柜 式電源。采用壓電陶瓷變壓器后，該電源可以安裝在高壓噴槍的手柄上，使用非常方便，同時(shí)也降低了設(shè)備的成本。 作為交流輸出的應(yīng)用，液晶顯示用壓電陶瓷變壓器背光電源最具有代表性。 液晶顯示背景光源采用冷陰極管（ LCD），它的擊穿電壓約 1500V，工作電壓約 400V。壓電陶瓷變壓器輸出阻抗高，具有較好的恒流特性，這剛好符合點(diǎn)亮冷陰極管電源的技術(shù)要求，而且壓電陶瓷變壓器厚度只有 也正好適應(yīng)液晶顯示器薄形化的結(jié)構(gòu)要求。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]。 壓電陶瓷變壓器應(yīng)用實(shí)例還有很多，不再一一列舉。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 。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 32 壓電陶瓷的其他應(yīng)用 壓電陶瓷的應(yīng)用范圍非常廣泛，上至宇宙開發(fā)，下至家庭生活 。大致可歸納為以下四方面： （ 1）能量轉(zhuǎn)換 （ 2）傳感器 （ 3）驅(qū)動：馬達(dá)； （ 4）頻率控制：振蕩器，濾波器。 壓電陶瓷雖然是新材料，卻頗具平民性，它用于高科技，但更多地是在生活中為人們眼務(wù)，創(chuàng)造美好的生活。 壓電大火氣 當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶 （ 如圖 42） 熱水器時(shí)， 用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?，于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。原理圖如圖 43 所示 可得 V=g h/FA 式中 g 壓電電壓常數(shù) 。 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(shí)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。在一般情況下，這種機(jī)械振動的振幅很小。 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(shí)，就會引起共振，使振幅大大增加。這時(shí)，外加電場通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變，而應(yīng)變又通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流，電能和機(jī)械能最大限度地互相轉(zhuǎn)換，形成振蕩。如圖 43 所示 高頻諧振和中頻諧振器 圖 43 高頻諧振和中頻諧振器 2. 壓電濾波器原理 濾波器的主要功能是決定或限制電路的工作頻率，壓電陶瓷濾波器是利用壓電陶瓷的諧振效應(yīng)：在同樣的電壓作用下，只有在共振頻率時(shí)通過壓電陶瓷的電流最大，振子阻抗最小，壓電振子對最小阻抗頻率附近的信號衰減很小，從而起到濾波作用。諧振和濾波器 要求壓電陶瓷材料有好的頻率溫度穩(wěn)定性及較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm。廣泛用于家用電器、電腦及其他產(chǎn)品的頻率控制部分。有插腳和貼片兩種規(guī)格 。 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(jì)）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(shí)就會發(fā)出對應(yīng)的音響。 圖 45 壓電蜂鳴片 通過電子線路的控制，就可產(chǎn)生不同頻率的振動，從而發(fā)出不同的聲音，蜂鳴器最早用在電子玩具上，現(xiàn)在還被用于消防車、救護(hù)車、保險(xiǎn)柜等處作為報(bào)警器。 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?；竟ぷ髟頌椋寒?dāng)在壓電陶瓷片上施加一交變電場時(shí)，陶瓷片會產(chǎn)生變形即震動，當(dāng)震動在音頻范圍內(nèi)就會發(fā)出聲音 。 圖 46 壓電蜂鳴第五章 陶瓷變壓器發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展 35 第五章 陶瓷變壓器 發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展 陶瓷變 壓器的發(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(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(tuán)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(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商都在圍繞以下三個(gè)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(shí)，要求介質(zhì)損耗 tgδ 要很低，以避免工作時(shí)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。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(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。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(dú)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(bào)道，這類結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷變壓器功率密度可達(dá) 40W/cm3，負(fù)載 100KΩ的有效升壓比可達(dá) 80倍，而長條單片型負(fù)載 100KΩ 的有效升壓比 10倍，疊層形負(fù)載 100KΩ 的有效升壓比 50倍。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 36 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(shí)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(diǎn)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。 陶瓷變壓器的研究進(jìn)展 目前人們主要從采用新型壓電材料 、提高驅(qū)動路效率和采用合理的物理模型等方面設(shè)計(jì)制造小化、高功率、高效率的壓電變壓器。 新型壓電變壓器材料的研究 由于壓電變壓器是利用機(jī)電能量的二次變換在諧振頻率上獲得升壓輸出 ，因此要求材料具有高的機(jī)電耦合系數(shù)，高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm 和高的電學(xué)品質(zhì)因數(shù) Qe，以獲得高的升壓比，小的機(jī)械損耗和介質(zhì)損耗。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(shí)的強(qiáng)的振動。 未經(jīng)改性的 PZT 材料各項(xiàng)性能指標(biāo)往往達(dá)不到壓電變壓器材料的要求 。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。采用微細(xì)晶粒的材料，可使材料的機(jī)械強(qiáng)度比通常的材料提高一倍以上。例如在 PMNPzT 材料中摻入適量的 CeO2燒結(jié)出組成為 ()(Mn1/3Nb2/3)+%CeO2(摻雜量為摩爾分?jǐn)?shù) )的壓電材料，可減小材料的晶胞參數(shù)，提高材料 的機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm和機(jī)電耦合系數(shù) KP。在 PNW． PMN． PZT 材料中摻入適量的 PbO,fe2O3 和 CeO2燒 結(jié)出組成為 （ Ni1/3） （ Mn1/3Nb2/3） ()+ %PbO+%Fe2O3+% CeO2(摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的高介電常數(shù)、高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率溫度穩(wěn)定性好的壓電變壓器材料 [3]。在 PMN． PZT 材料 中加入微量的 PNN 固溶體 ，得到成分為 ： Pb[（ Ni1/3Nb2/3） (Mn1/3Nb2/3)()]O3+%PbO(摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的壓電材料，不但可以提高材料的相對介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，還可以降低材料的燒結(jié)溫度。 壓電變壓器的振動模式和幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，要求電子器件向小型化方向發(fā)展，國內(nèi)外研究人員開始研究多層變壓器 (MPT： Multilayer Piezoelectric Transformer，如圖 51所示 )，因?yàn)槎鄬幼儔浩鞑粌H可以減少占用的空間，節(jié)省材料，還能提高第五章 陶瓷變壓器發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展 37 升壓比和輸出功率。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(shí)的升壓比比傳統(tǒng)的單層壓電變壓器高 30～ 40倍 [8]。 Philips 公司在單層 Rosen 型壓電變壓器的基礎(chǔ)上研發(fā)出多層 Rosen 型壓電變壓器， 如圖 51 所示 其設(shè)計(jì)尺寸約為 28 mm5 mm2 mm，層數(shù)最多可達(dá) 44層，每層厚度最小為 40μm 。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 。 圖 51 多層壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖 普通 Rosen 型壓電變壓器，不管是單層還是多層壓電變壓器，都有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，輸出端導(dǎo)線焊在輸出端電極上，而這正是振動位移最大的位置，這樣會導(dǎo)致導(dǎo)線和電極之間的連接可靠性比較差，并且導(dǎo)線的重量和連接的方式也阻礙了變壓器的振動。為此， NEC 公司研發(fā)出三次 Rosen 型多層壓電變壓器，如圖 52所示 。這種新型的壓電變壓器具有更高的可靠性、轉(zhuǎn)換效率和更薄的尺寸，整個(gè)變壓器瓷片上有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，引出導(dǎo)線都焊在這三個(gè)節(jié)點(diǎn)處，這就克服了普通 Rosen 型壓電變壓器的缺點(diǎn)。 圖 52 三次 Rosen 型壓電變壓器結(jié)構(gòu) 和震動模式 壓電變壓器驅(qū)動電路和輸出匹配電路的優(yōu)化 驅(qū)動電路對于壓電變壓器性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵的作用。壓電變壓器的工作頻率在諧振頻率和反諧振頻率之間。而壓電變壓器的輸入電源一般為低壓直流