基于压电陶瓷变压器高压直流电源设计毕业论文

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题 目 基于压电变压器的高压直流电源的研究

学生姓名 学 号 系 部 专 业 班 级 指导教师 顾问教师

朱贤德 42911113 电气工程系 机电一体化技术

429111 李瑞年 宋指宏

二〇一三年十月

摘要

摘 要

压电陶瓷变压器是一种新型的压电换能器件，具有尺寸小，结构简单，不可燃，耐辐射，高可靠等优点。压电变压器在电视显像管、雷达显示管、静电复印机、静电除尘、小功率激光管、离子发生器、高压极化等设备中得到广泛的应用。

本课题是研究压电变压器设计出10kV的直流高压电源。当在压电陶瓷变压器输入端（驱动部份）加入交变电压时，通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压 因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入端阻抗 ，输出端电压远大于输入端电压．一般输入几伏到几十伏的交变电压，可以获得几千伏以上的高压输出。

关键词：压电陶瓷变压器 直流高压 阻抗

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ABSTRACT

ABSTRACT

Piezoelectric ceramic transformer is a new type of piezoelectric transducer device, the size is small, simple structure, non-combustible, resistance to radiation, high reliability. Piezoelectric Transformers in a television picture tube, radar showed tube, electrostatic copier, electrostatic dust, small power laser diodes, ion generator, high voltage polarization, and other equipment was widely used.

The topic is the study piezoelectric transformer design of the 10 kV DC high voltage power supply. When the piezoelectric ceramic transformer input (some drivers) by adding alternating voltage, reverse piezoelectric effect. have artifacts along the length direction of the stretching vibration, the input energy into mechanical energy; and some power is through piezoelectric effect of converting mechanical energy to electrical energy so the output voltage for artifacts than the length of thickness, Therefore, the output impedance than input impedance, the output voltage than input voltage. General Fu few to a few tens of volts of alternating voltage, available thousands of volts above the high pressure output.

Keywords: Piezoelectric Ceramic Transformer DC high voltage Impedance

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目录

目 录

摘 要 ............................................................................................................................ 2 目 录 .............................................................................................................................. 4 第一章 绪论 ................................................................................................................ 5

1.1压电陶瓷变压器发展概况 ............................................................................... 5 1.2本课题研究的意义 ........................................................................................... 7 第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性 .................................................. 10

2.1 压电陶瓷变压器的结构和工作原理 ............................................................ 10 2.2压电陶瓷变压器的的特点与特征 ................................................................. 11 2.3压电陶瓷变压器的等效电路 ......................................................................... 13 2.4压电陶瓷变压器的工作特性 ......................................................................... 16

2.4.1升压比特性 ........................................................................................... 16 2.4.2阻抗特性 ............................................................................................... 18 2.4.3频率特性 ............................................................................................... 18 2.4.4温度特性 ............................................................................................... 19 2.4.5负载特性 ............................................................................................... 19

第三章 压电陶瓷变压器高压电源设计 .................................................................. 21

3.1设计思想 ......................................................................................................... 21 3.2压电陶瓷变压器的选取和计算 ..................................................................... 22

3.2.1压电陶瓷变压器的选取 ....................................................................... 22 3.2.2压点陶瓷变压器主要尺寸的设计与计算 ........................................... 22 3.3电路的设计 ..................................................................................................... 23 3.4驱动变压器的设计与计算 ............................................................................. 24 3.5倍压整流电路的设计 ..................................................................................... 27 3.6 压电陶瓷变压器高压电源性能测试 .......................................................... 28 第四章 压电陶瓷变压器的应用以及其他方面的应用 ............................................ 30

4.1 压电变压器的应用 ........................................................................................ 30 4.2 压电陶瓷的其他应用 .................................................................................... 32 第五章 陶瓷变压器的发展趋势和研究进展 .......................................................... 34

5.1 陶瓷变压器的发展趋势 ................................................................................ 35 5.2 陶瓷变压器的研究进展 ................................................................................ 36 致谢 .............................................................................................................................. 40 参考文献 ...................................................................................................................... 41

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第一章 绪论

第一章 绪论

1.1压电陶瓷变压器发展概况

压电变压器是 20世纪 50年代后期开始研制的一种新型压电器件，最早由c．A．Rosen于 1956年发明。但是，那时的压电陶瓷材料是以钛酸钡 (BaTiO3)为主，其压电性能低，制成的压电变压器升压比很低，仅有 50～60倍，输出电压仅为 3 kV，实用价值不大，故未能引起人们的重视。随着锆钛酸铅 (PbZrTiO3) 等高K p和高Q m压电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著的进展。目前已能生产升压比为300～500，输出功率 50 w 以上的压电变压器。随着信息处理设备和通讯设备日益小型化的发展，电源设备小型化的需求越来越高，加上功能陶瓷材料的迅猛发展，压电变压器的应用范围越来越广。目前压电变压器已用于电视显像管、雷达显示管、静电复印机、静电除尘、小功率激光管、离子发生器、高压极化等高压设备中。由于压电陶瓷变压器具有尺寸小，结构简单，不可燃，耐辐射，高可靠等优点，是压电陶瓷边获得广泛应用的主要原因，由于压电陶瓷变压器是一种新型高压变压器，它有许多优点，所以它主要用于产生高压的装置中采用压电陶瓷变压器升压器制作电源，工作稳定可靠，目前，压电陶瓷变压器正在高压小电流的高压设备中推广使用，陶瓷变压器以开始应用于雷达，激光，静电除尘和复印等装置中，代替铁芯变压器。

压电陶瓷变压器作为新原理电子变压器，已引起国内电子变压器行业的注意。上世纪90 年代以来，把多层片式电容器的制造技术移植到压电陶瓷变压器的制造上，克服了早期用有机粘结剂粘结多层压电陶瓷变压器的性能偏低而且不稳定的缺点，从而可能实现规模生产，逐渐在各种电子设备中推广应用。“全国电子变压器行业协会论文集”2004 年第（六）集和2005 年第（七）集相继发表了几篇文章进行介绍，希望在铜铁材料涨价的情况下，电子变压器行业能对这种不用铜铁材料的压电陶瓷变压器进行开发和生产[4]。

目前压电变压器已用于电视显像管雷达显示管静电复印机静电除尘小功率激光管离子发生器高压极化等高压设备中与传统的电磁变压器相比压电变压器有以下的优点[1, 2]。

1．体积小重量轻

2．无噪声无电磁干扰无需电磁屏蔽

3．耐高温安全性高不会被高压击穿不会起火燃烧 4．无需磁心和铜线可节省有色金属材料

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压电变压器是利用压电材料的逆压电效应和正压电效应来实现高压输出。即在压电陶瓷片输入低电压信号，通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又转变成电能。在压电陶瓷的电能、机械能、电能的机电能量的二次变换中实现阻抗变换，从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。

根据振动模式的不同，压电变压器可分为Rosen型厚度振动型、径向振动型[3]、其中Rosen 型压电变压器最为常用。

Rosen 型压电变压器结构简，单制作容易，升压比非常高，特别适合于驱动高电压小功率器件，比如驱动冷阴极荧光灯CCFL（ Cold Cathode Fluorescent Lamps ），可为手机、笔记本电脑的LCD 显示器提供背光源。图1-1 示出普通的Rosen 型压电变压器的结构及其原理。整个压电变压器可分成两部分，左半部的上、下面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化作为输入端称为驱动部分：右半部分的右端也有烧渗的银电极，沿长度方向极化作为输出端，称为发电部分当交变电压加到压电变压器输入端驱动部分时由于逆压电效应压电变压器产生沿长度方向的伸缩振动将输入电能转换成机械能而发电部分则通过正压电效应将机械能转换成电能产生高压输出由于压电变压器的长度远大于厚度故输入端为低阻抗输出端为高阻抗因此输出电压远大于输入电压一般输入几伏到几十伏的交变电压就可以获得几千伏以上的高压输出。

图1-1 Rosen 型压电变压器

厚度振动型压电变压器又称为纵纵式压电变压器,是由两块纵向振动压电陶瓷片胶合而成,中间有一层绝缘层,如图1-2 所示.在输入端加上交变电压,由于逆压电效应,输入端就会产生厚度扩张振动.这种机械振动传到输出端,由正压电效应转换成电能转换比率N 等于输入端跟输出端厚度之比。通过调整输入端和输出端陶瓷片的厚度比例，就可以很方便地调整压电变压器的升压比[4] 。厚度振动型压电变压器的特点是功率较大，工作频率很高，能够降低电压，多用于高频开关电源中。

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第一章 绪论

图1-2 厚度振动型压电变压器

径向振动型压电变压器是一种处于发展中的新型压电变压器，其结构如图1-3 所

示。这种压电变压器的突出优点是结构简单，制作方便，能以很小的尺寸实现低频和大功率，可用在电整流器、适配器及DC/DC 变换器中[5] 。这种压电变压器已由美国 Transoner 公司制作出来。

图1-3 径向振动型压电变压器

根据升压比的不同，压电变压器又可分为升压变压器和降压变压器。升压变压器工作频率一般在超音频范围，降压变压器工作频率则较低，一般在工频范围。

1.2本课题研究的意义

压电陶瓷变压器与电磁变压器相比，具有体积小，厚度一般小于5 mm，重量轻，结构简单，不怕受潮，不怕燃烧和击穿，电磁兼容性好（包括无电磁干扰和不受电磁干扰）。安全可靠，转换效率超过90%等优点。但是，功率小，现在最大为40W，配套电路比较复杂，工艺流程还不完整，还没有很好解决压制、烧结、磁性激化等工艺问题，规模生产优良率不高，导致成本偏高，价格比现有同容量的电磁变压器贵。因此要推广应用还需要解决一系列问题。

在现代电子设备中（例如静电复印机、雷达、信息处理设备的显示系统等）往往需要几千伏甚至上万伏的高压供电，通常这些高压是通过电磁变压器升压而获得的，但是由于体积及结构的原因，这种变压器存在绕制及绝缘处理困难，变压器的次级绕组工作在高压状态易打火、击穿，故障率高等问题。压电陶瓷

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变压器是一种从材料结构到工作原理都不同于传统概念的变压器，它是用铁电材料（例如PZT、PMMN等）经高温烧结、高压缴化等一系列工艺制备而成的，

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第一章 绪论

低损耗、小尺寸、高可靠、抗干扰和低价位电子电源的市场需求量不断提高。压电陶瓷电源产品在输入和输出之间具有较高的绝缘和耐压，在输入输出端之间加压5000VDC／分钟下漏电流仅为微安级。同时，在恶劣的条件如潮热、盐雾、冲击和振动等环境下均能正常工作。压电陶瓷电源技术压电陶瓷转换效率可以达到98％，比普通电源50－60％的转换效率要高得多。从原理上可以看出，其造价并不比传统电源产品更贵，而体积却要小得多[15]。此外，规模化生产还将进一步降低成本，从而在竞争中更具优势，用压电陶瓷变压器制做高压电源不仅克服了传统电磁变压器工作在高压状态下所存在的问题，而且能很好地适应电子设备小型化、轻型化、薄型化的发展需要，有广泛的的应用前景。

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第二章 压电陶瓷变压器工作原理和基本

特性

2.1 压电陶瓷变压器的结构和工作原理

压电陶瓷变压器的结构因其形状、电极和极化方向不同而有多种形式，其中长条片状结构的陶瓷变压器最为常用，因其结构衙单，制作容易，并且具有较高升压比和较大的输出功率。这种压电陶瓷变压器的形状如图 2-1所示．整个长条片型压电陶瓷变压器中分成两部分：左半部的上、下两面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，作为输入端，称为驱动部分；右半部分的右端也有烧渗的银电扳，澄长度方向极化，作为输出端，称为发电部分。

图2-1 长条片型陶瓷变压器

制备好的压电陶瓷晶体在居里温度下属四方晶相多电畴结构，经高压电场极化后因电畴转向，陶瓷体内极化强度不为零而具有压电性。当在压电陶瓷变压器输入端（驱动部份）加入交变电压时，由于逆压电效应，压电陶瓷变压器产生长度方向上的伸缩振动，输入的电能转换成机械能。在发电部份由于存在纵向振动，通过正压电效应，机械能转换成电能，因此在输出端有电压输出。压电陶瓷变压器的能量转换过程与电磁变压器截然不同，是从电能到机械能又到电能的物理过程[14]。

当压电陶瓷变压器输人端加上频率为瓷片固有谐振频率的交变电压时、通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压 因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入端阻抗 ，输出端电压远大于输入端电压．一般输入几伏到几十伏的交变电压，可以获得几千伏以上的高压输出。

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第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性

在无负载的情况下，压电陶瓷变压器在谐振的时候的升压比由下式决定：

Goo=U0/U1=(4/π2）QmK31K33(L/t） （1）

式中的Goo=U0/U1为空载升压比. Q m 为材料的机械品质素质，K31K33为材料的机电耦合系数，L，t 分别为发电部分的长度和厚度。据此可以看出：当材料和工艺确定后。升压陶瓷变压器的升压比只与L，t有关。长度越长升压比越高，厚度越厚，升压比越低。上述公式的计算值和时测的数据误差教大，必须考虑弥散电容，加以修正。

一般线绕式变压器对于外加电源频率的要求不高，在相当宽的频率范围内，变压器的变比，输出功率，功率几乎不变。对于陶瓷变压器，则要求电源频率高度稳定，往往电源频率偏离稳定值的千分之五，则变压器的升压比就有可能下降百分之十以上。陶瓷变压器要求电源的频率必须与其本身产生的机械频率相一致。通常压电陶瓷变压器只能在两种频率下工作。即半波谐振频率fr1 或全波谐振频率fr2。所谓半波，是指片长等于一个驻波波长。陶瓷变压器的谐振频率决定与陶瓷片的几何尺寸和材料的声速，即fr=v/ λ 式中v为材料的声速，λ是沿长度方向的驻波波长。

图2-2所示表示压变压器工作在谐振状态下，其半波谐振状态和全波谐振状态的质点位移和应力分析情况。

图2-2 压电陶瓷变压器的应力分布

2.2压电陶瓷变压器的的特点与特征

2.2.1压电陶瓷变压器的特点

较之传统绕线式变压器， 压电陶瓷变压器具有以下优点：

1．结构简单、 体积小、 功率大、 重量轻， 适应电子元器件薄型化的发展趋势；

2．无需磁芯和铜线， 可节省金属材料；

3．不会因短路而被烧毁， 不会被高压击穿， 不怕受潮， 不怕电磁干扰， 无噪声。能适应在潮湿、 盐雾、 冲击、 振动等各种恶劣环境下正常工作；

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4．转换率高、 升压比高、 安全性能超群； 5．应用范围广。

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： (1）．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。

(2)．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。

(3)．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。

(4)．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。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。 2.2.2压电陶瓷变压器的特征

1. 输出功率——负载阻抗特性：当输入电压为275V时， 负载电阻Rl=9MΩ， 则输出功率最大值为65W,。由于压电变压器输入阻抗、 升压比均随负载阻抗变化而变化， 当输入电压不同时， 输出功率与负载阻抗变化的关系不完全相同。

2. 转换效率——负载特性：由于输出功率是在负载电阻上测得， 总的功率损耗包括了压电变压器和整流电路的损耗， 因此陶瓷变压器实际转换效率应大于曲线表示的转换效率。

3. 波节温度——负载特性：由于压电陶瓷变压器的波节处应力大， 因此温度也最高。经多次测试得知， 压电陶瓷变压器输出功率为40W时， 最高温度为34℃； 输出功率为50W时， 最高温度点的温度为47℃， 变压器其它部分温度更低。

4. 谐振频率——环境温度特性：一般情况下，压电材料的谐振频率因本身发热和环境温度变化而发生漂移， 因此， 压电变压器谐振频率的温度特性是确定压电变压器性能好坏的重要因素。特别当压电陶瓷变压器应用在较大输出功率时， 谐振频率温度特性的研究就更为重要。

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第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性

2.3压电陶瓷变压器的等效电路

压电陶瓷变压器由驱动部分和发电部分组成，其驱动部分，即压电陶瓷变压器的输入回路与驱动电路相连接，为了使二者阻抗相匹配，有效地传输基本电气特性研究。

压电陶瓷变压器是谐振体，只有在驱动电压频率等于压电陶瓷耦合器固有谐振频率、谐振体处于谐振状态、沿长度方向振幅最大的情况下，才能进行有效的电压变换。压电陶瓷变压器等效电路比较复杂[8]，考虑到输出端对输入端的影响，用电声学理论最终可导出从输入端看进去的等效电路如图2-2所示。

根据压电陶瓷变压器 的输入 回路 的等效电路可以从压电方程和波动方程导出、解长片型压电振子的压电方程：

D3d31x1x33E3

Ex1s11x1d31E3

和波动方程：

(2)

212x1 22= (3)

tu可得 C0=Ltx33、C1=8d2L、L=2s11t8d23131s11Lt2 (4)

其中C0为输入极板之间的夹片电容，C1、L1分别为压电陶瓷变压器等效电容和电感，其等效电路如图2-3所示、理论分析和试验结果表明，压电陶瓷变压器输入回路呈串联谐振时，升压比 G最高，如图2-3所示、其谐振频率为：

frNL/L (5)

C n R L1 C1 图2-3 压电陶瓷变压器输入回路的等效电路

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式中为陶瓷片谐振频率．NL为频率常数，L为资瓷片的长度．从(5)式可以 看出，当陶瓷片材料确定以后，fr由L值确定。1．2 等效电路

压电陶瓷变压器有纵向振动模式(Rosen型)、厚度振动模式、径向振动模式

和弯曲振动模式等几种类型。其中升压型压电变压器以纵向振动模式(Rosen型)为代表，是目前应用最广的压电变压器，而降压输出场合常用的是厚度振动模式压电陶瓷变压器。

纵向振动模式压电变压器结构图如图2-4(a)所示，上下两面涂覆银电极，沿厚度方向极化，称为驱动部分；银电极涂在右端，沿长度方向极化的右半部分称为发电部分。为了研究压电陶瓷变压器最优工作时需要的激励信号特性和与之相匹配的电路，用相应的电学元件等效其机械参数，其等效电路如图2-4(a)所示，其中Cdl为压电陶瓷变压器输入端的静电容，Cd2为压电陶瓷变压器输出端的静电容，R、L、C分别为压电陶瓷变压器的动态电阻、动态电感和动态电容。图2-4(b)为压电陶瓷变压器的频率特性，f0为压电陶瓷变压器的谐振频率。

图2-4 Rosen型压电陶瓷变压器

施加在压电陶瓷变压器的激励信号常是交变方波信号和正弦信号，对激励

信号而言，任意波形信号均可用以下函数表示：

ftAoBn1mnmsinntCnmcosnt (1)

n1m则正弦波形函数表达式为：

ftAmaxsinnt (2)

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第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性

方波形函数表达式为： 1[sintsin3t3 (3) 11sin5t?··sinnt]5nft4Amax1 5

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图2-5 纵向振动模式雅典变压器等效电路及频率特性

从图2-5可知，压电陶瓷变压器是一个谐振体，当激励信号的频率与变压器的谐振频率一致时，压电变压器处于谐振状态，从图l可知，此时延长度方向振幅最大，压电变化才最有效。因此需要施加在压电陶瓷变压器的激励信号频率与变压器谐振频率保持一致。

把压电变压器等效成一个线性网络，施加方波信号在压电陶瓷变压器上，从式(3)可知，在压电陶瓷变压器上的响应为方波信号的各次谐波的响应叠加。若方波信号基波频率为压电陶瓷变压器的谐振频率，那么方波中的高次谐波作用时，压电陶瓷变压器处于非谐振状态，对压电变化的有效性没有积极作用，即这部分电能并没加强延长度方向的振幅。因此从电能利用率最大化角度考虑，施加在压电陶瓷变压器的激励信号需要正弦信号。

2.4压电陶瓷变压器的工作特性

2.4.1升压比特性

对 PT进行测试的线路如图2-6所示。信号源所提供的交流电压的频率与 PT的谐振频率相同 。PT的输出为二倍压 整流直流输出。测试结果如图2-7所示。图2-7a、b中实线为理论值 ，三角、方波及圆点为实验值。当负载一定时，输出电压与输人电压成线性关系 ，而图2-7a中的实测值很好地反映了这一关系。由图2-7b不难看出，当负载阻抗足够大时升压比达到了10倍以上，

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第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性

并且随着负载阻抗的增大，升压比还可进一步提高。我们在实验中测得 的升压 比达到100倍 以上 ，即在 10MΩ负载下 ，输入20V电压 ，输出端得到2．3kv 多的电压。在测试中我们还观察到，随着负载逐渐减小，PT的谐振频率有所下降，如图2-7c所示。图2-7d反应了PT的频率谐振特性，从图中可以看出，PT相当于一个具有放大功能的窄带滤波器，只有当输人信号(电压)的频率接近 PT的谐振额率时，此电压才被大幅度放大，当输人信号的频率偏离 PT的谐振频率较大时(≥lkHz)，放大倍数大大降低。

a机电等效电路

b折算到输入端等效电路 图2-6 压电陶瓷等效电路

图2-7 测试曲线

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2.4.2阻抗特性

PT的阻抗特性如图2-8所示。测试条件为输出端开路 ，无整流电路 。图2-8a显示 ，PT的半 波谐振频率为35kHz，全渡谐振频率为70kHz，这与振动理论分 析的结果 是相同的。图2-8b是 PT输人端电压与电流间的相位差随频率变化的曲线 。由图可见 ，在正、反两个谐振点上，相位差为0，输人阻抗为纯阻性 ，两点之间为感性，两点外为容性 ，电压落后于电流。

图a 图b

图2-8 阻抗特性

2.4.3频率特性

电磁变压器工作频率决定铁心材料 、绕组及绕组的分部参数，一般来说它可以在较宽的频带范围内工作。 压电陶瓷变压器只有在频率等于压电变压器固有谐振频率的驱动电压激励下 ，使陶瓷片 处于谐振状态，沿其长度方向振动最强的情况下 ，才有升压作用。陶瓷变压器的谐振频率 、决定于陶瓷片的几何尺寸和材料的声速 ，即

 式中V是材料的声速，是沿长度方向的驻波波长。若=2L，即陶瓷变

f压器之长度等于全波波长时，称全波谐振 ，此时驻波节点有两个 ，分别位于片长两端的四分之一处 。若= 4L，即压电变压器的长度等于半波长时 ，称为半波谐振，此时，节点有一个，位于片长的中间。因驻波节点振幅为零 ，所以压电陶瓷变压器的固定支承点应选在驻波的节点上 ，正确选择支承点位置，使用压电陶瓷变压器时必须注意。图2-9为测定 wTB一2型压电陶瓷变压器的升压比一频率特性。

从图2-10可以看出，压电陶瓷变压器升压比随输入电压的频率变化而变化 ，在谐振频率附近 ．升压比最大 ，它的频带很窄。从压电变压器的辖入端观看 ，内部等效电路如图 2-10，它与水晶振子的特性相似 ，压电陶瓷变压器 ，不管是半波谐振或者全波谐振 ，都呈申聪谐振性质 ，其谐振频率分别为，

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第二章 压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性

f全11 f半

L2C2L1C1这是压电陶瓷变压器的一个重要性质 ，也是它与线绕变压器的一个重要差别[12]

图2-9 G-f特性曲线 图2-10 输入回路等效电路

2.4.4温度特性

一般线绕式变压器在教宽的温度变化范围内，电气特性几乎没有多少变化，但在高于100℃以上时，由于一般的绝缘材料老化速度大大加快而使变压器的寿命很快下降，甚至烧坏。陶瓷变压器的耐热性能教好，通常以锆钛酸铅为主的陶瓷材料，其失效的居里点可高达350℃以上，因此，一般不会烧坏。但是陶瓷变压器在工作时，对工作变化敏感，特别时候在低温范围（<0℃），由于温度变化了使谐振频率的漂移，结果升压比将有变化，对工作稳定性有一定的影响。

图2-11 温度特性曲线图

从图2-11可看出，压电变压器的谐振频率随温度升高而增大，因此环境温度的变化和陶瓷变压器本身因机械和介质损耗而发热，将引起谐振频率的漂移，从而影响陶瓷变压器的稳定输出。要克服这个问题，除了要求选用温度特性较好的材料做变压器外，在设计驱动电路时，一般要采取稳压措施，才能保证陶瓷变压器工作的稳定性。

2.4.5负载特性

负载特性表示在输入电压一定的条件下，输出电压随负载变化的关系。特性曲线表明：输出电压随负载阻抗增大而增加。陶瓷变压器这个特性是由于输

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入阻抗较大引起的。因此，在负载变动的情况下，采用陶瓷变压器作高压电源时，必须采取措施，才能保证高压有较好的调整率[13]。

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第三章 陶瓷压电变压器的高压电源设计

第三章 压电陶瓷变压器高压电源设计

3.1设计思想

驱动压电陶瓷变压器的频率，需要与压电陶瓷变压器的谐振频率保持一致，而实际上压电陶瓷变压器的谐振频率常常受到负载阻抗、环境温度等外界因素的影响而发生变化。为了得到最佳输出，需要跟踪谐振频率的变化对驱动频率进行自动调整。如图3-1所示。门驱 动部 分提 供 50％ 占空比的方波，使ⅥMS1和 VMOS2轮流导通，为压电变压器提供交 变的激励 电压，此电压经压电变压器升高，供给CCFL。CCFL的输出电流被送入反馈 回路。反馈回路由I／V转换模块、比较器和VCO模块组成。I／V转换模块将 CCFL的电流转换为信号电压 ，比较器将此电压与参考电压对 比，产生控制电压送人 VCO，VCO调节门驱动的输出频率使整个驱动器的输出功率保持在参考电压设定的水平上。

另外由于电陶瓷变压器的输出阻抗很大，当负载变化时,输出电压隋之变化，难以满足高压电源输出电压稳定性的技术要求，因此也需要一种调整电路对输出高压进行自动调整。我们以双管自激式振荡电路为驱动电路，以脉宽调制器为高压稳定调整电路，设计了一种高效率、高稳定性压电陶瓷变压器高压电源，在这种情况下使用压电陶瓷变压器最大优点：一是无需另外设置压电陶瓷变压器驱动震荡源，压电陶瓷变压器素如端串联回路具有选频特性，利用行输出电压的高次谐波激励压电陶瓷变压器，使压电套变压器工作在谐振状态，以获得显示器所需要的高压。二是在电路设计十无须考虑变压器本身的绝缘以及漏感和分布电容的影响，使设计和制作简单化[6]。

图3-1 CCFL驱动器

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3.2压电陶瓷变压器的选取和计算

3.2.1压电陶瓷变压器的选取

按照从驱动部分到发电部分能量的变换方式，可以把压电变压器分为纵一纵式，横一纵式，横一横式三种，如图3-2所示。

(a)纵一纵式：(b)横一纵式：(c)横一横式

图3-2 常见压电变压器结构

纵一纵式和横一横式压电变压器是对称结构。当驱动部分和发电部分的体积相等时，这种压电变压器的升压比仅由压电元件的谐振特性来确定。横一纵式压电变在器是不对称的结构。它的升压比不仅和压电元件的谐振特性有关，而且和发电部分的长度与驱动部分厚度之比有关。在同样尺寸的情况下，横一纵式和纵一纵式压电变压器的输出电压要比横一横式高。

为了得到高的升压比，常用横一纵式。因此，我们利用压电陶瓷变压器设 计显示器高压电源时，常采用横一纵式陶瓷变压器。 压电变电器的固定方式采用橡皮衬垫固定，橡皮衬垫所放的位置不能随便，不适当的支撑会破坏瓷片振动条件，严重影响压电变压器的升压比及效率。因此，必须放在压电变压器上节点上，或者说振动幅度最小的位置。具体来说，对于以全波模工作的压电变压器，支点应在瓷片长度为1／4和3／4点处，对于半波模压电变压器，支点应在瓷片的中点处。支撑位置选在这些位置上，不影响陶瓷变压器的工作状态，正确选择支撑位置，使其有利于主振动模式而不利于寄生振动模式。因为陶瓷变压器具有多个寄生振动模式，使用时必须加以考虑。

3.2.2压点陶瓷变压器主要尺寸的设计与计算

陶瓷变压器的频率常数只与压电材料的性质，振动模式有关，而与振子的尺寸无关。所谓频率常数N是指谐振子的谐振频率f，与主振动方向长度(或直 径)的乘积。它是一个常数，单位为Hzm或KHzmm。

对于长为L的薄长片长度伸缩振动模式或压电振子，其频率常数为：

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第三章 陶瓷压电变压器的高压电源设计

NLfrL

当材料的频率常数N确定后，就可以根据所需要的谐振频率来确定压电振子尺寸，同样，改变陶瓷片长度，陶瓷片的谐振频率也随以改变。我们所使用的显示器行频为15．695KHz(约15．7KHz)，利用显示器的高次谐波(四次谐波)频率为15．695KHz×4=62．780KHz的来激励陶瓷变压器，使陶瓷变压器工作在谐振状态。对于同一陶瓷片，有 fr1L1N1fr2L2

实验测得： fr1=48．270KHz，L1 =74mm 电路要求： fr2=4 X 1 5．695KHz=62．780KHz

因此陶瓷变压器的长度为：L2(fr1L1/fr2)=(48．270KHz X 74mm／62．780KHz)~57mm=5．7cm

若选二倍频激励陶瓷变压器，则陶瓷变压器的长度加倍 L=2×5．7cm=11．4cm

陶瓷片太长，体积增大，失去了陶瓷变压器的优越性。又根据对行输出管电压波形傅氏级数分析可知，三次谐波和五次谐波分量为零，而六次谐波的振幅小于四次谐波的振幅，所以采用行输出管电压波形的四次谐波而不采用基波和其它高次谐波来激励陶瓷变压器[16]。

3.3电路的设计

图3-3为压电陶瓷变压器高压电源电路图

图3-3压电陶瓷变压器高压电源电路图

图3-3中T301R303组成自激式振荡电路，T301为驱动变压器，T302为反馈振荡线，T是压电陶瓷变压器，L301 C301组成谐振回路，合理调整的电感量，使谐

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振频率等于压电陶瓷变压器谐振频率，这时压电陶瓷变压器输出电压最高，输入阻抗最低，当压电陶瓷变压器的固有谐振频率发生变化时，通过反馈实现驱动电路的频率跟踪。

下面以负载电阻增加使输出电压升高为例耒说明高压稳定原理：当高压升高时，脉宽调制器反相输入端1脚电压升高，输出端2脚输出脉宽变窄，经过晶体管Q3电流放大，L301;C302滤波后的输出电压（即自激式振荡电路的输入电压）降底,又使输出高压降底,从而实现了该电源输出的稳定。值电流几乎减少一半，因此激励行输出管用的激励功率也可以相应减小，使激励级负载相应减轻。因此，在行输出级采用自举升压电路，使行线性得到改善，而电路的其他部分仍采用低压供电，避免增加电路器件耐压要求，降低整机成本。

压电陶瓷变压器的驱动变压器采用高频变压器，它的初级线圈是与行偏转线圈并联的，在逆程期间，它与行偏转线圈一样也有逆程脉冲电虚加到初级线圈上。驱动变压器的次级绕组L4和L5，把这个逆程脉冲电压升高到我们所需要的电压值。利用陶瓷变压器进行升压，再经过倍压整流就可得到10千伏的高压输出。

3.4驱动变压器的设计与计算

1．驱动变压器磁芯材料的选取

对于工作在20KHZ左右的高频变压器来说，它要求磁芯材料在该频率下磁滞损耗尽可能小；此外，还要求饱和磁通密度高；随着工作温度升高，饱和磁通密度的降低尽量小等等。为了减小磁滞损耗，使驱动变压器小型化，我们选择电阻率高，磁导率大，饱和磁通密度较高的锰-锌铁氧体R2KBD材料，型号为EI22。

表3-1 材料参数

d31 -12d33 -12[x10C/N] [x10C/N] -163 419 k31 42% k33 75% ρ [g/cm] 7.7 3εe/ε0 2100 驱动变压器磁芯的工作状态，由于行输出级输出的脉冲是单方向的，也就是经常在单方向加磁化电流。因此，陶瓷变压器的驱动变压器只利用软磁铁氧体磁滞回线的一个象限,磁通密度不是从-Bmax至+Bmax变化，工作磁滞回线而是以Br和Bmax为顶点的小回环，即不以磁滞回线的原点对称工作。稳态工作时，我们根据实际使用的最恶劣条件(最大工作脉冲宽度和工作温度时)来选择工作

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第三章 陶瓷压电变压器的高压电源设计

磁通密度B，使其小于Bs或根据允许的励磁电流来决定最大的工作磁通密度Bmax。选择较高的工作磁通密度，将可使高频变压器具有更小的体积,但是要注意避免磁芯的饱和，因为磁芯的饱和将意味着高频变压器励磁电流将急剧增加，这显然将会导致与之连接的高压开关管承受极大的电流，电压而损坏，选择较小的工作磁通密度，减小了励磁电流，降低了磁芯的损耗，对提高变压器的效率，降低温升也有利，但这是以体积的增大为代价。

2．驱动变压器设计计算公式： (1)．初级绕组电感量Lp按下式求得： LP=（μoμrN12Se）/le

其中u。，为真空导磁率，μo=4π×109H／cm：μr为磁芯材料的相对导磁率，它不是常数，铁氧体的μr约为800—5000，一般可取1500；se为磁芯有效截面积(cm2)：le为有效磁路长度(cm)。

(2)．励磁电流Ip按下式求得： Ip=(V1ton)/L1 (A)

其中{V1单位为伏(V)，ton为秒，L．用亨(H)． (3)．磁场强度H按下_式求得： H=0.42N1IP/leHmax

式中，H为有效磁路长度，单位Oe；le为有效磁路长度，单位Cm; Ip为初级绕细绕组中最大电流，单位A，Hmax为磁芯允许使用的最大小饱和磁场强度，单位Oe

(4)．初级绕组匝数N．的计算式

V1TON108 N1Se(BmaxBr)式中，Se为磁芯有效截面积，单位：㎝2；Bmax是最大磁感应强度，单位：GS Br是剩余磁感应强度，单位：GS； TON是行输出管导通时间，单位：S。

(5)．驱动变压器主要技术参数： ‘ Ec=12V EC=25V±0．5V(自举升压) TON=44 u S(实测) V01=330V (实测) V02=250V (实测)

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Vo=12KV Io=100 u A

f=15．695KHz≈15．7KHz

3．压电陶瓷变压器的驱动变压器实际计算 (1)．磁芯选取

驱动变压器所选磁芯选用金宁无线电器材厂生产的锰一锌铁氧体R2KBD材料，其型号为E122，

Bs =5l00Gs Br=1000Gs Hmax=8 0e Le=3．96cm Se=0．41 cm2。

由B—H温度特性曲线可知，磁芯温度应使用在100℃以下，此时的饱和磁通不低于4000Gs，为了防止合闸瞬间驱动变压器饱和，并使铁氧体磁芯温度系数尽量小，通常选取变压器的最高工作温度为60℃，最大工作磁通密度为Bmax=0．8Bs=0．8×5 1 00Gs=4080Gs取Bmax=4100Gs

(2)．初级绕组匝数计算

2544108V1TON108108=86 N1Se(BmaxBr)0.41(41001000) 初级绕组N11，N12：实际上相当于一自耦变压器，因此 N12=(12V／25V)×N1=(12V／25V)×86=40 所以， N11=N1 -N12=86-40=46 (3)．次级匝数计算

设初级反峰电压为： Ucp=8EC=8×26=208 因此每圈伏数为：208÷86=2．42

则400V中压次级匝数为：N2 =330÷2．42=136 陶瓷变压器两端的匝数为：N3 =250V÷2．42：103 经实验后各绕组匝数确定为：

N1=57T

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第三章 陶瓷压电变压器的高压电源设计

N12=21T

N3=105T N11=36T N2=125T

(4)．初级线圈电感量计算 偏转线圈的电感量Ly：

2 Ly=(EC·(44×106)。／5 0×103=0．24mH TS2)／SH=25。×

式中Ec=25．5V，Ts=44×106S，SH =5.0mH· A2初级线圈的电感量Lp： 已知初级匝数NI：57，E122磁芯参数， 有效截面积S=0．41cm2，，有效磁路长度Le=3．96cm，铁氧体的μr约为800—5000，一般可取1500，于是初级线圈的电感量Lp为：

Lp=[(44SeN12r)/le]109=6 .3mH

满足LP比LY大的要求，LP对LY的分流作用可忽略 (5)．流过初级绕组最大电流计算

Ip=(V1TON)／L1=25×44×106／6．3×103=0.174A (6)．稳态工作磁场强度

H=0 42N1 Ip／Le =0．42×57×0．174／3 .96 =l.05 Oe ∵Hmax 8 Oe

∴H3.5倍压整流电路的设计

陶瓷变压器输出倍压整流电路常采用科克罗夫特一沃尔顿(Cockcroft-Walton)电路，如图3-4 所示 这种电路由n个整流元件和n个电容组成的n倍压整流电路。此电路的特点是将整流元件串联连接，电容器按每隔一接点的方式接入，分布在两测，呈叠层形，由于电容器是叠层串联，其结果可产生nE电压，并且使用耐压为E的电容器即可满足要求。在直流变换器中可通过提高变换电路的频率获得直流高压，采用此种电路最为适宜。由于压电陶瓷变压器本身是容性输出，所以采用科克罗夫特一沃尔顿(Cockcroft—Walton)倍压整流电路时可节省一个电容。

科克罗夫特一沃尔顿(Cockcroft-Walton)电路工作过程是，首先在交流负半周时交流电源经D1对C1充电，接着在正半周时交流电源与C1的电压相加经

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D2对电容器C2充电，充得的电压是电容器C1充电电压的两倍。接下来在负半周时，除了电源经D1对电容器C1充电之外， 交流电源还与C2上的电压叠加经D3对C3、C1充电，C3上的充电电压是C1的两倍。在正半周时交流电源与C1的电压叠加，除了经D2对电容器 C2充电之外，还与C1、C3上的电压叠加经D4对电容器C4和C2充电，C4上充得的电压是电容器C1上的电压两倍。以此类推，可知输出的直流电压与半波倍压整流电路的级数有关 。图中串接有三级半波被压整流电路，C2、C4、C6上的充电电压均为C1上的充电电压都的两倍，三个电容串联之后充电电压C1上充电电压的6倍。

图3-4 N级倍压整流电路原理

为了得到必需的阳极高压，首先依靠陶瓷变压器把逆程脉冲电压提高到必 需的幅值，然后再整流。倍压整流电路必须满足如下要求： (1)高压应当满足所用显象管的技术条件 (2)应当保证规定的最大负载电流

(3)当负载电流从零变化到最大值时，应满足高压调整率的要求。 (4)整流二极管的允许电流，反向电压，功率损耗均应符合要求 (5)高压部分消耗的功率应当最小

为了满足上述要求，必须使陶瓷变压器输出阻抗和整流电路的阻抗相匹配，在负载变化时，不致引起陶瓷变压器的效率急剧下降，一般采用四倍压整流电路。所谓四倍压，是指输出高压V。值是陶瓷变压器输出电压有效值的四倍，其次，泄放电阻大小直接影响输出电压的稳定性。实验表明：泄放电阻选用100MΩ--150 MΩ为宜，可以改善其输出稳定性[21]。

3.6 压电陶瓷变压器高压电源性能测试

我们按以上设计参数制作的压电陶瓷变压器高压电源，在实验室内对该电源的主要指标进行了初步测试，其结果如下：

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第三章 陶瓷压电变压器的高压电源设计

1. 时间的稳定性

将24V直流电压加在压电陶瓷变压器高压电源输入端，调节RP使电源输出电压为10KV，在负载电阻( RL=10MΩ)不变条件下，改变输入电压(变化量为±20％)可测得电源的输入-输出特性曲线如图3-5所示，从图3-5 可以看出，这

种设计使得压电陶瓷变压器高压电源具有很好的电压稳定性，电压调整率2%。

图3-5 时间特性曲线

2. 温度特性

下图表示输出高压随环境温度变化曲线，从图3-6中可看出，温度从10℃升到60℃时，输出高压VL从12KV降到11．8KV，即高压变化率

vL／

vl0℃<2％， 而且在一段较宽的温度范围内，例如，温度从10℃～30℃输出高压不变，温度从40℃一60℃输出高压变化较小，说明电源的温度特性较好，可在较宽温度范围内工作。

图3-6 温度特性曲线

3、负载特性

该电源设计输出电流为200μA，在输入电压VC为24V、输出电压为10KV条件下，改变负载电阻，使输电流从0-200μA变化，测得输出电压变化量为100V，负载调整率≤1%。

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第四章 压电陶瓷在变压器应用及其他方面

的应用

4.1 压电变压器的应用

4.1.1 CCFL驱动器

压电变压器最典型的应用之一就是驱动 CCF(cold cathode fluorescent lamp，冷阴极管)因为 CCFL的工作特性非常适合于压电变压器的性，即输出阻抗高、输出电流小、输出电压随阻抗化大等 。而 CCFL在启动时需要 1000V左右的压 ，平稳工作状态下需 400V~500V左右的电压，阻抗较启动时下降数十千欧。此外，CCFL对电的要求不高，一般为 5mA～6mA。CCFL的这些性恰好与压电变压器的上述特性相符。在实际应压电变压器时 ，必须解决以下几个关键技术问题：(1)选择合适的材料；(2)振动模式的选择；(3)器件的安装；(4)驱动与控制电路的设计[7]。 4.1.2 DC-DC(直流一直流)变换器

当今的电子设备小型化、轻型化的需求 日益突出，因此为其提供直流电压的直流变换器也必须做到小型化和轻型化[1]。另外从低能耗的角度来讲，其能量转换的效率也必须提高。但是这些要求对传统的直流变换器来说是难以达到的，因为其必须符合严格的安全及噪声规范，如 UL，IEC和 CISPR(无线电干扰特别委员会)等的标准。特别是因为电磁变压器的存在，直流变换器的重量和体积更是难以降低。用压电变压器取代电磁变压器，上述问题便可迎刃而解。由压电变压器制做的 DC-DC变换器，如图 4-1所示。

图4-1 DC-DC变换器

基本的工作过程为：开关S1和S2以非常短暂的切换时间(称为 dead time)轮流导通。在此时间内，电磁电流iLr通过Lr向S1和S2的并联输出电容充电，因此ZVS(零电压切换)术得以实现。通过S1和S2的零电压切换，压电变压器的输

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第四章 压电陶瓷变压器在变压器应用及其他方面的应用

入端会产生准方波波形Vds1，由于压电变压器良好的谐振特性，其输出端产生正弦波V2，V2经整流后成为直流电压供给负载。图中的压电变压器仅重 65g，远远轻于传统的电磁式变压器，而且能量密度效率可以大大提高。 4.1.3其它应用研究及实用产品

上述两种应用是压电变压器最典型的应用。除此之外，压电变压器还被应用于军事方面，即利用其输出电极端子放电引爆高压雷管。民用方面的应用有高压防盗器、高压电击棒、小型 x光机、雷达、复印机、氦一氖和小型二氧化碳激光器等等。目前实用产品也比较多。如 NEC公司及田村制作所先后向市场推出的用压电变压器制成的 LCD(液晶显示器)背光电源，京都技术研究所开发 的效率高达90％，包含驱动电路在内仅重 1．78g的第代手机背景驱动电源，Tamura公司的HBL系列产品等。

现在压电陶瓷变压器的应用分为两种，一种是由低压变成高压的升压变压器，用于液晶显示器、静电除尘器和高压电源中，国内外都已形成规模生产。另一种是由高压变成低压的降压变压器，现在仍处于研究开发阶段，只有个别的产品投入生产，现在见到已报道的最好的样机，是日本富士通利用LiNbO3单晶制成15 mm×15 mm×0.5mm 的压电陶瓷变压器，工作频率4 MHz，输出功率30~40W，可以用于降压型开关电源。

由于压电变压器具有体积小、重量轻、不会击穿、不怕短路、升压比高、输出阻抗高等特点，因此它主要应用于需要高电压小电流的领域。

将它应用于雷达显示器高压用源不仅缩小了这种电源的体积，而且大大提高了装备的可靠性。

静电喷塑设备需要60Kv的高压，而传统的供电电源是体积较大的柜式电源。采用压电陶瓷变压器后，该电源可以安装在高压喷枪的手柄上，使用非常方便，同时也降低了设备的成本。

作为交流输出的应用，液晶显示用压电陶瓷变压器背光电源最具有代表性。 液晶显示背景光源采用冷阴极管（LCD），它的击穿电压约1500V，工作电压约400V。压电陶瓷变压器输出阻抗高，具有较好的恒流特性，这刚好符合点亮冷阴极管电源的技术要求，而且压电陶瓷变压器厚度只有1.5mm也正好适应液晶显示器薄形化的结构要求。目前这种电源在国内外形成规模生产，主要应用于笔记本电脑和其它液晶显示设备[20]。

压电陶瓷变压器应用实例还有很多，不再一一列举。今后，隋着高性能材料的开发，元件形状和结构的改进以及配套电路的完善，其应用会更加完善。

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4.2 压电陶瓷的其他应用

压电陶瓷的应用范围非常广泛，上至宇宙开发，下至家庭生活 。大致可归纳为以下四方面：

（1）能量转换 （2）传感器 （3）驱动：马达；

（4）频率控制：振荡器，滤波器。

压电陶瓷虽然是新材料，却颇具平民性，它用于高科技，但更多地是在生活中为人们眼务，创造美好的生活。 4.2.1 压电大火气

当你在点燃煤气灶（如图4-2）热水器时，用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。原理图如图4-3所示

可得 V=g h/FA

式中 g 压电电压常数; h圆柱体高度；F作用力； A受力圆柱体截面积；

图4-2 压电点火实物图

图4-3 压电点火原理

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第四章 压电陶瓷变压器在变压器应用及其他方面的应用

4.2.2 压电振荡器和滤波器

作用在压电陶瓷上的交变电压会产生一定频率的机械振动。在一般情况下，这种机械振动的振幅很小。

1. 压电振荡器原理

当外加电压的频率与压电陶瓷的固有机械振动频率相同时，就会引起共振，使振幅大大增加。这时，外加电场通过逆压电效应产生应变，而应变又通过正压电效应产生电流，电能和机械能最大限度地互相转换，形成振荡。如图4-3 所示 高频谐振和中频谐振器

图4-3 高频谐振和中频谐振器

2. 压电滤波器原理

滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频率，压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应：在同样的电压作用下，只有在共振频率时通过压电陶瓷的电流最大，振子阻抗最小，压电振子对最小阻抗频率附近的信号衰减很小，从而起到滤波作用。谐振和滤波器要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数Qm。广泛用于家用电器、电脑及其他产品的频率控制部分。有插脚和贴片两种规格。如图4-4所示压电陶瓷滤波器

图4-4 压电陶瓷滤波器

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4.2.3 压电超声换能器

2. 压电超声马达 3. 超声波清洗

1. 压电超声医疗仪

4. 压电超声雾化器 4.2.4 压电蜂鸣器

压电蜂鸣片由压电陶瓷片和金属振动板粘粘而成，如图4-5 所示 由振荡电路激励，通过逆压电效应，压电陶瓷片产生一相对应的形变即振动，当振动频率在音频波段内时就会发出对应的音响。

图4-5 压电蜂鸣片

通过电子线路的控制，就可产生不同频率的振动，从而发出不同的声音，蜂鸣器最早用在电子玩具上，现在还被用于消防车、救护车、保险柜等处作为报警器。

主要用于压电蜂鸣器，如图4-6所示例如音乐贺卡、门铃．寻呼机．移动电话机振铃等。基本工作原理为：当在压电陶瓷片上施加一交变电场时，陶瓷片会产生变形即震动，当震动在音频范围内就会发出声音。

图4-6 压电蜂鸣

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第五章 陶瓷变压器发展趋势和研究进展

第五章 陶瓷变压器发展趋势和研究进展

5.1 陶瓷变压器的发展趋势

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。

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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。

5.2 陶瓷变压器的研究进展

目前人们主要从采用新型压电材料、提高驱动路效率和采用合理的物理模型等方面设计制造小化、高功率、高效率的压电变压器。 5.2.1新型压电变压器材料的研究

由于压电变压器是利用机电能量的二次变换在谐振频率上获得升压输出，因此要求材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因数Qm和高的电学品质因数Qe，以获得高的升压比，小的机械损耗和介质损耗。此外还要求材料的频率稳定性好，机械强度高，以承受工作时的强的振动。

未经改性的 PZT材料各项性能指标往往达不到压电变压器材料的要求。通过对 PZT材料进行掺杂，微量取代 A位或 B位离子，产生晶格畸变，改变载流子浓度，可以改善 PZT材料的性能。采用微细晶粒的材料，可使材料的机械强度比通常的材料提高一倍以上。例如在 PMN-PzT材料中掺入适量的CeO2烧结出组成为Pb0.94Ba(Zr0.52Ti0.48)0.923(Mn1/3Nb2/3)0.075O3+0.25%CeO2(掺杂量为摩尔分数)的压电材料，可减小材料的晶胞参数，提高材料的机械品质因数Qm和机电耦合系数KP。在 PNW．PMN．PZT材料中掺入适量的PbO,fe2O3 和CeO2烧结出组成为Pb0.94Sr0.06（Ni1/3）0.02（Mn1/3Nb2/3）0.07(Zr0.51Ti0.49)0.91O3+

0.5%PbO+0.3%Fe2O3+0.25% CeO2(掺杂量为质量分数)的高介电常数、高机械品质因数和谐振频率温度稳定性好的压电变压器材料[3]。在 PMN．PZT材料 中加入微量的 PNN 固溶体 ，得到成分为：

Pb[（Ni1/3Nb2/3）0.01(Mn1/3Nb2/3)0.08(Zr0.505Ti0.495)0.91]O3+0.5%PbO(掺杂量为质量分数)的压电材料，不但可以提高材料的相对介电常数和机电耦合系数，还可以降低材料的烧结温度。

5.2.2压电变压器的振动模式和几何结构的改进

随着电子工业的不断发展，要求电子器件向小型化方向发展，国内外研究人员开始研究多层变压器(MPT：Multilayer Piezoelectric Transformer，如图5-1所示 )，因为多层变压器不仅可以减少占用的空间，节省材料，还能提高

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第五章 陶瓷变压器发展趋势和研究进展

升压比和输出功率。清华大学是国际上最早研究多层压电变压器的单位，通过添加少量低熔点助烧剂B2O3-Bi2O3-CdO使 P2rT陶瓷的烧结温度从 1250℃降到960℃，并采用 Ag／Pd电极共烧成多层压 电变压器，交流无空载时的升压比比传统的单层压电变压器高 30～40倍[8]。Philips公司在单层 Rosen型压电变压器的基础上研发出多层 Rosen型压电变压器，如图5-1 所示 其设计尺寸约为 28 mm×5 mm×2 mm，层数最多可达 44层，每层厚度最小为 40μm 。这种多层 Rosen型压电变压器无论是输出功率还是升压比都比单层的Rosen型压电变压器要大。

图5-1 多层压电变压器结构图

普通 Rosen型压电变压器，不管是单层还是多层压电变压器，都有一个严重的缺点，输出端导线焊在输出端电极上，而这正是振动位移最大的位置，这样会导致导线和电极之间的连接可靠性比较差，并且导线的重量和连接的方式也阻碍了变压器的振动。为此，NEC公司研发出三次Rosen型多层压电变压器，如图5-2所示 。这种新型的压电变压器具有更高的可靠性、转换效率和更薄的尺寸，整个变压器瓷片上有三个节点，引出导线都焊在这三个节点处，这就克服了普通 Rosen型压电变压器的缺点。

图5-2 三次 Rosen型压电变压器结构和震动模式

5.2.3压电变压器驱动电路和输出匹配电路的优化

驱动电路对于压电变压器性能的发挥起着关键的作用。压电变压器的工作频率在谐振频率和反谐振频率之间。而压电变压器的输入电源一般为低压直流电因此驱动电路必须产生一个频率与压电变压器振动频率相等的信号，使压电变压器正常工作[10]。M．Sanz等人分析对比了几种驱动电路的复杂度和压电变压器的效率之间的平衡关系，提出了应用在不同场合的压电变压器驱动电路。

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淮安信息职业技术学院毕业（设计）论文

E．Dallago等人采用频率跟随技术，优化了驱动电路 如图5-3所示，克服了因负载变化和温度变化引起的频率匹配问题。

图5-3 压电变压器DC/DC转换器极其驱动电路

高压压电变压器输出端为高阻抗，当外加负载等于输出阻抗的时候，压电变压器就有最大转换效率。从输出端看过去，压电变压器的输出级可以看成一等效阻抗。为了使等效阻抗与理想负载阻抗匹配，必须精心设计输出匹配电路。C．Y．Lin等人设计了一种压电变压器及其匹配电路，研究了驱动电路(信号放大器)、压电变压器和匹配电路之间的关。

J．Diaz和 M．J．Prieto等人把压电变压器应用在AC／DC和 DC／DC转换器中。压电变压器的转换效率是开关频率和负载的函数[11]。T．Zaitsu和 S．Hamamura等人研究了在固定开关频率下通过脉冲宽度调制(PWMPulse Width Modulation)和在固定负载下通过脉冲频率调制 (PFM：Pulse Frequency Modulation)有效控制压电变压器功率转换器的输出电压。图5-4所示。

图5-4 PWM和PFM控制压电变压器转换器简图

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第六章 结论

第六章 结论

1. 用压电变压器设计出10kV的直流高压电源，电路结构简单，压电陶瓷变压器是一种新型的压电换能器件，它在结构与特性上和传统的线绕铁芯电磁变压器有很大的区别。

2.该电源在较宽的温度范围内，温升低，经时稳定性好，具有较低的生产价格成本。

3.压电陶瓷变压器替换普通磁芯线绕变压器，由于它既不用磁芯，也不需要铜线绕组，不仅克服了逆程变压器的高压绕组的绕制及绝缘处理的困难，而且逆程变压器的高压协调问题无须考虑，振铃现象不会发生，大大提高了变压器的效率，同时，它的体积小，重量轻，不会打火击穿，不怕短路烧毁，不发霉，不受电磁干扰，故障率低，可靠性高，使用寿命长。

4. 随着电子工业的发展，要求电子元器件向小型化和集成化方向发展，压电变压器也要向这个方向发展。目前过高的烧结温度不利于压电变压器的集成化。因此，薄膜化、多层化、低温制备将是压电变压器的一个强烈的发展趋势。

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致谢

致谢

本文从选题，文献的收集，实验的设计，论文的协作是在导师王龙海教授的悉心指导下完成的，他的坦率 、务实、严谨、敬业给我太深的影响;他的指导、帮助、关心、教诲，使我终生受益。在设计过程中还有同学们的热情地鼓励与无私的帮助。

在这次的毕业设计中，让我深深体会到进行软件开发不是一件简单的事情，它需要设计者具有全面的专业知识、缜密的思维、严谨的工作态度以及较高的分析问题、解决问题的能力，而我在很多方面还有欠缺。通过毕业设计我对实验研究方法和实验操作技能等要领的掌握有了更深的理解，在此特向恩师王龙海老师致以崇高敬意和深深的谢意。

最后要特别感谢我的父母，感谢他们多年来对我的教育和养育之恩，感谢他们用无私的爱支持我顺利的完成学业。

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参考文献

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