【正文】 ......................................... 35 陶瓷變壓器的研究進(jìn)展 ................................................................................ 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。隨著鋯鈦酸鉛 (PbZrTiO3) 等高 K p 和高 Q m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。隨著信息處 理設(shè)備和通訊設(shè)備日益小型化的發(fā)展，電源設(shè)備小型化的需求越來越高，加上功能陶瓷材料的迅猛發(fā)展，壓電變壓器的應(yīng)用范圍越來越廣。由于壓電陶瓷變壓器具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，不可燃，耐輻射，高可靠等優(yōu)點(diǎn)，是壓電陶瓷邊獲得廣泛應(yīng)用的主要原因，由于壓電陶瓷變壓器是一種新型高壓變壓器，它有許 多優(yōu)點(diǎn)，所以它主要用于產(chǎn)生高壓的裝置中采用壓電陶瓷變壓器升壓器制作電源，工作穩(wěn)定可靠，目前，壓電陶瓷變壓器正在高壓小電流的高壓設(shè)備中推廣使用，陶瓷變壓器以開始應(yīng)用于雷達(dá)，激光，靜電除塵和復(fù)印等裝置中，代替鐵芯變壓器。上世紀(jì) 90 年代以來，把多層片式電容器的制造技術(shù)移植到壓電陶瓷變壓器的制造上，克服了早期用有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)多層壓電陶瓷變壓器的性能偏低而且不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而可能實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，逐漸在各種電子設(shè)備中推廣應(yīng)用。 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)備中與傳統(tǒng)的電磁變壓器相比壓電變壓器有以下的優(yōu)點(diǎn) [1, 2]。即在壓電陶瓷片輸入低電壓信號，通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，再通過正壓電效應(yīng)又轉(zhuǎn)變成電能。 根據(jù)振動(dòng)模式的不同，壓電變壓器可分為 Rosen 型厚度振動(dòng)型、徑向振動(dòng)型 [3]、其中 Rosen 型壓電變壓器最為常用。圖 11 示出普通的 Rosen 型壓電變壓器的結(jié)構(gòu)及其原理。 圖 11 Rosen 型壓電變壓器 厚度振動(dòng)型壓電變壓器又稱為縱縱式壓電變壓器 ,是由兩塊縱向振動(dòng)壓電陶瓷片膠合而成 ,中間有一層絕緣層 ,如圖 12 所示 .在輸入端加上交變電壓 ,由于逆壓電效應(yīng) ,輸入端就會(huì)產(chǎn)生厚度擴(kuò)張振動(dòng) .這種機(jī)械振動(dòng)傳到輸出端 ,由正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能轉(zhuǎn)換比率 N 等于輸入端跟輸出端厚度之比。厚度振 動(dòng)型壓電變壓器的特點(diǎn)是功率較大，工作頻率很高，能夠降低電壓，多用于高頻開關(guān)電源中 。這種壓電變壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，能以很小的尺寸實(shí)現(xiàn)低頻和大功率，可用在電整流器、適配器及 DC/DC 變換器中 [5] 。 圖 13 徑向振動(dòng)型壓電變壓器 根據(jù)升壓比的不同， 壓電變壓器又可分為升壓變壓器和降壓變壓器 。 本課題研究的意義 壓電陶瓷變壓器與電磁變壓器相比 ，具有體積小，厚度一般小于 5 mm，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，不怕受潮，不怕燃燒和擊穿，電磁兼容性好（包括無電磁干擾和不受電磁干擾）。但是，功率小，現(xiàn)在最大為 40W，配套電路比較復(fù)雜，工藝流程還不完 整，還沒有很好解決壓制、燒結(jié)、磁性激化等工藝問題，規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)良率不高，導(dǎo)致成本偏高，價(jià)格比現(xiàn)有同容量的電磁變壓器貴。 在現(xiàn)代電子設(shè)備中（例如靜 電復(fù)印機(jī)、雷達(dá)、信息處理設(shè)備的顯示系統(tǒng)等）往往需要幾千伏甚至上萬伏的高壓供電，通常這些高壓是通過電磁變壓器升壓而獲得的，但是由于體積及結(jié)構(gòu)的原因，這種變壓器存在繞制及絕緣處理困難，變壓器的次級繞組工作在高壓狀態(tài)易打火、擊穿，故障率高等問題。壓電陶瓷電源產(chǎn)品在輸入和輸出之間具有較高的絕緣和耐壓 ，在輸入輸出端之間加壓 5000VDC／分鐘下漏電流僅為微安級。壓電陶瓷電源技術(shù)壓電陶瓷轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 98％，比普通電源 50－ 60％的轉(zhuǎn)換效率要高得多。此外，規(guī)模化生產(chǎn)還將進(jìn)一步降低成本，從而在競爭中更具優(yōu)勢，用壓電陶瓷變壓器制做高壓電源不僅克服了傳統(tǒng)電磁變壓器工作在高壓狀態(tài)下所存在的問題，而且能很好地適應(yīng)電子設(shè)備小型化、輕型化、薄型化的發(fā)展需要，有廣泛的的應(yīng)用前景。 這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖 21 所示．整個(gè)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，沿厚度方向極化，作為輸入端，稱為驅(qū)動(dòng)部分；右半部分的右端也有燒滲的銀電扳，澄長度方向極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部 分。當(dāng)在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅(qū)動(dòng)部份）加入交變電壓時(shí)，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(dòng)，輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。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 [14]。 第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 11 在無負(fù)載的情況下 ，壓電陶瓷變壓器在諧振的時(shí)候的升壓比由下式?jīng)Q定：Goo=U0/U1=(4/π2） QmK31K33(L/t） （ 1） 式中的 Goo=U0/U1為空載升壓比 . Q m 為材料的機(jī)械品質(zhì)素質(zhì)， K31K33為材料的機(jī)電 耦合系數(shù)， L， t 分別為發(fā) 電部分的長度和厚度。升壓陶瓷變壓器的升壓比只與 L， t 有關(guān)。上述公式的計(jì)算值和時(shí)測的數(shù)據(jù)誤差教大，必須考慮彌散電容，加以修正 。對于陶瓷變壓器，則要求電源頻率高度穩(wěn)定，往往電源頻率偏離穩(wěn)定值的千分之五，則變壓器的升壓比就有可能下降百分之十以上。通常 壓電陶瓷變壓器只能在兩種頻率下工作。所謂半波，是指片長等于一個(gè)駐波波長。 圖 22 所示表示壓變壓器工作在諧振狀態(tài)下 ，其半波諧振狀態(tài)和全波諧振狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)位移和應(yīng)力分析情況。能適應(yīng)在潮濕、 鹽霧、 沖擊、 振動(dòng)等各種惡劣環(huán)境下正常工作； 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 12 4． 轉(zhuǎn)換率高、 升壓比高、 安全性能超群； 5． 應(yīng)用范圍廣。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可達(dá) 20W（如 NEC 制作的尺寸為 14mm14mm6mm 的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達(dá) 20W 以上，諧振頻率為 140KHz，在 20W 時(shí)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。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。 (4)．對安裝固定與配置要求比較嚴(yán)格。在固定陶瓷片時(shí)，支撐點(diǎn)必須選定在振動(dòng)位移為零處，即半波模諧振的支撐點(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(huì)影響升壓比和轉(zhuǎn)換效率 。由于壓電變壓器輸入阻抗、 升壓比均隨負(fù)載阻抗變化而變化， 當(dāng)輸入電壓不同時(shí)， 輸出功率與負(fù)載阻抗變化的關(guān)系不完全相同。 3. 波節(jié)溫度 ——負(fù)載特性：由于壓電陶瓷變壓器的波節(jié)處應(yīng)力大， 因此溫度也最高。 4. 諧振頻率 ——環(huán)境溫度特性：一般情況下，壓電材料的 諧振頻率因本身發(fā)熱和環(huán)境溫度變化而發(fā)生漂移， 因此， 壓電變壓器諧振頻率的溫度特性是確定壓電變壓器性能好壞的重要因素。 第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 13 壓電陶瓷變壓器的等效電路 壓電陶瓷變壓器由驅(qū)動(dòng)部分和發(fā)電部分組成 ，其驅(qū)動(dòng)部分，即壓電陶瓷變壓器的輸入回路與驅(qū)動(dòng)電路相連接，為了使二者阻抗相匹配，有效地傳輸基本電氣特性研究。壓電陶瓷變壓器等效電路比較復(fù)雜 [8]，考慮到輸出端對輸入端的影響，用電聲學(xué)理論最終可導(dǎo)出從輸入端看進(jìn)去的等效電路如圖 22 所示。 1． 2 等效電路 壓電陶瓷變壓器有縱向振動(dòng)模式 (Rosen 型 )、厚度振動(dòng)模式、徑向振動(dòng)模式和彎曲振動(dòng)模式等幾種類型。 縱向振動(dòng)模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖如圖 24(a)所示，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動(dòng)部分；銀電極涂在右端，沿長度方向極化的右半部分稱為發(fā)電部分。圖 24(b)為 壓電陶瓷變壓器的頻率特性， f 0 為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。因此需要施加在壓 電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號頻率與變壓器諧振頻率保持一致。若方波信號基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時(shí)，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對壓電變化的有效性沒有積極作用，即這部分電能并沒加強(qiáng)延長度方向的振幅。 壓電陶瓷變壓器的工作特性 升壓比特性 對 PT 進(jìn)行測試的線路如圖 26 所示。 PT 的輸出為二倍壓 整流直流輸出。 圖 27a、 b 中實(shí)線 為理論值 ，三角、方波及圓點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值。由圖 27b 不難看出，當(dāng)負(fù)載阻抗足夠大時(shí)升壓比達(dá)到了 10 倍以上 ，第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 17 并且隨著負(fù)載阻抗的增大，升壓比還可進(jìn)一步提高。在測試中我們還觀察到，隨著負(fù)載逐漸減小， PT 的諧振頻率有所下降，如圖 27c 所示。 a 機(jī)電等效電路 b 折算到輸入端等效電路 圖 26 壓電陶瓷等效電路 圖 27 測試曲線淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 18 阻抗特性 PT 的阻抗特性如 圖 28 所示。圖28a 顯示 ， PT 的半 波諧振頻率為 35kHz，全渡諧振頻率為 70kHz，這與振動(dòng)理論分 析的結(jié)果 是相同的。由圖可見 ，在正、反兩個(gè)諧振點(diǎn)上，相位差為 0，輸人阻抗為純阻性 ， 兩點(diǎn)之間為感性 ， 兩點(diǎn)外為容性 ，電壓落后于電流。 壓電陶瓷變壓器只有在頻率等于壓電變壓器固有諧振頻率的驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)下 ，使陶瓷片 處于諧振狀態(tài)，沿其長度方向振動(dòng)最強(qiáng)的情況下 ，才有升壓作用。若 ? =2L，即陶瓷變壓器之長度等于全波波長時(shí)，稱全波諧振 ，此時(shí)駐波節(jié)點(diǎn)有兩個(gè) ，分別位于片長兩端的四分之一處 。因駐波節(jié)點(diǎn)振幅為零 ，所以壓電陶瓷變壓器的固定支承點(diǎn)應(yīng)選在駐波的節(jié)點(diǎn)上 ，正確選擇支承點(diǎn)位置，使用壓 電陶瓷變壓器時(shí)必須注意。 從圖 210 可以看出 ，壓電陶瓷變壓器升壓比隨輸入電壓的頻率變化 而變化 ，在諧振頻率附近 ．升壓比最大 ，它的頻帶很窄。陶瓷變壓器的耐熱性能教好，通常以鋯鈦酸鉛為主的陶瓷材料，其失效的居里點(diǎn)可高達(dá) 350℃ 以上，因此，一般不會(huì)燒壞。 圖 211 溫度特性曲線圖 從 圖 211 可看出，壓電變壓器的諧振頻率隨溫度升高而增大，因此環(huán)境溫度的變化和陶瓷變壓器本身因機(jī)械和介質(zhì)損耗而發(fā)熱，將引起諧振頻率的漂移，從而影響陶瓷變壓器的穩(wěn)定輸出。 負(fù)載特性 負(fù)載特性表示在輸入電壓一定的條 件下 ，輸出電壓隨負(fù)載變化的關(guān)系。陶瓷變壓器這個(gè)特性是由于輸淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 20 入阻抗較大 引起的。第三章 陶瓷壓電變壓器的高壓電源設(shè)計(jì) 21 第三章 壓電陶瓷變壓器高壓電源設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想 驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷變壓器的頻率，需要與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率保持一致，而實(shí)際上壓電陶瓷變壓器的諧振頻率常常受到負(fù)載阻抗、環(huán)境溫度等外界因素的影響而發(fā)生變化。如圖 31 所示 。 CCFL 的輸出電流被送入反饋 回路。 I／ V 轉(zhuǎn)換模塊將 CCFL 的電流轉(zhuǎn)換為信號電壓 ，比較器將此電壓與參考電壓對 比，產(chǎn)生控制電壓送人 VCO， VCO 調(diào) 節(jié)門驅(qū)動(dòng)的輸出頻率使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率保持在參考電壓設(shè)定的水平上。我們以雙管自激式振蕩電路為驅(qū)動(dòng)電路，以脈寬調(diào)制器為高壓穩(wěn)定調(diào)整電路，設(shè)計(jì)了一種高效率、高穩(wěn)定性壓電陶瓷變壓器高壓電源，在這種情況下使用壓電陶瓷變壓器最大優(yōu)點(diǎn)：一是無需另外設(shè)置壓電陶瓷變壓器驅(qū)動(dòng)震蕩源，壓電陶瓷變壓器素如端串聯(lián)回路具有選頻特性，利用行輸出電壓的高次諧波激勵(lì)壓電陶瓷變壓器，使壓電套變壓器工作在諧振狀態(tài)，以獲得顯示器所需要的高壓。 圖 31 CCFL 驅(qū)動(dòng)器淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 22 壓電陶瓷變壓器的選取和計(jì)算 壓電陶瓷變壓器的選取 按照從驅(qū)動(dòng)部分到發(fā)電部分能量的變換方式 ，可以把壓電變壓器分為縱一縱式，橫一縱式，橫一橫式三種，如圖 32 所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分和發(fā)電部分的體積相等時(shí)，這種壓電變壓器的升壓比僅由壓電元件的諧振特性來確定。它的升壓比不僅和壓電元件的諧振特性有關(guān)，而且和發(fā)電部分的長度與驅(qū)動(dòng) 部分厚度之比有關(guān)。 為了得到高的升壓比，常用橫一縱式。 壓電變電器的固定方式采用橡皮襯墊固定，橡皮襯墊所放的位置不能隨便，不適當(dāng)?shù)闹螘?huì)破壞瓷片振動(dòng)條件，嚴(yán)重影響壓電變壓器的升壓比及效率。具體來說，對于以全波模工作的壓電變壓器，支點(diǎn)應(yīng)在瓷片長 度為 1／ 4 和 3／ 4 點(diǎn)處，對于半波模壓電變壓器，支點(diǎn)應(yīng)在瓷片 的中點(diǎn)處。因?yàn)樘沾勺儔浩骶哂卸鄠€(gè)寄生振動(dòng)模式，使用時(shí)必須加以考慮。所謂頻率常數(shù) N 是指諧振子的諧振頻率 f，與主振動(dòng)方向長度 (或直 徑 )