压电陶瓷是电子陶瓷器件中一个重要的材料，它具有力(或形变)作用下产生电荷(或电压)的正压电效应和电作用下产生力(形变)的逆压电效应功能，从而可进行电能-机械能和机械能-电能的转换。压电陶瓷的上述功能已被制备成传感器、换能器、驱动器等，广泛地应用于航空航天、医学诊断、超声焊接等领域，成为生产和生活中重要的功能材料。利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应可以制作成高性能的电源变压器。

　　多层片式压电陶瓷变压器是近年来迅速发展起来的新一代小型高性能电源变压器。与电磁式变压器相比，它在小尺寸、低功率等应用场合下有着突出的优点，并已在实用中获得了很好的效果。随着通信和信息技术的迅猛发展，多层片式压电陶瓷变压器在小型电子设备中，将展现出独特的优点，具有广阔的应用前景。

市场前景看好

　　压电陶瓷升压变压器在液晶显示、离子发生器等产品中已获得了应用。最近美国正在开发汽车安全保护气囊用的压电陶瓷变压器。

　　小型灵巧的压电陶瓷降压变压器在计算机、手机、摄像机等的AC-DC适配器中有着广阔的应用前景，可以减小AC-DC适配器的体积，甚至可以去掉外接适配器，直接进入电子设备中。

　　通信电源是开关电源所有应用增长速度最快的一部分，即使在美国，工业发达，经济增长缓慢的情况下，开关电源在通信领域的年增长率也超过15%。在美国仅AC-DC开关电源和DC-DC开关电源就从1996年的约2亿美元发展到了2001年的20亿美元。在世界范围内，其产值是巨大的，因而是一个新兴的产业。所以，小尺寸、高功率密度的压电陶瓷变压器有望在开关变压器中获得部分的市场份额。

　　我国在压电陶瓷材料及应用技术研究和开发方面已有长期的积累，并已掌握了压电陶瓷粉体的低温烧结和多层片式压电陶瓷器件的制备技术。国内已有多个重要的大学、研究所和企业从事压电陶瓷变压器的研究和开发工作。可以预料，随着我国加入WTO，我国的产品市场将进一步与世界接轨，国际上大公司全球化采购电子元器件的趋势必将给我国带来新的发展机遇，因此，我国压电陶瓷变压器研究单位、生产企业应携手努力，独立自主地研发出低成本、高性能压电陶瓷变压器，共同推动我国压电陶瓷产品在新的电子设备中的开发应用，使我国新一代电源变压器能在国际市场上拥有一席之地。

多层片式压电陶瓷变压器成为发展热点

　　上世纪90年代以前，压电陶瓷变压器的发展比较缓慢，主要原因是当时对小功率、小尺寸的电源变压器的市场需求量小，市场上可供选择的压电陶瓷变压器产品少，此外，电子设备设计者和生产商对压电陶瓷变压器了解甚少。90年代以后，信息产业发展迅速，全球每年生产出数以亿计的电子设备，并且其种类和产品的数量逐年增加。在这些电子设备中，大量使用贴片式的多层片式电容、电感、电阻和高度集成的微电子器件。因此，人们期待新一代小功率、小尺寸的电源变压器问世，使电子设备能进一步轻质化、小型化。

专利数量逐年上升

　　压电陶瓷变压器应运而生，它除了在器件尺寸和性能上有着优势外，另一个重要原因是多层片式电容器制备技术在上世纪90年代后被成功地移植到压电陶瓷变压器，它克服了早期用有机粘结剂粘结多层陶瓷变压器，性能低、性能不稳定、无法规模生产压电变压器等不足，使低成本、高性能的压电陶瓷变压器的实用化成为可能。

　　多层片式陶瓷结构，它是由N层陶瓷和内电极组成，每层陶瓷的极化方向相反，各电极间采用叉指方式交替地连接。当多层压电陶瓷与单片压电陶瓷片的总厚度相同时，多层压电陶瓷的等效压电系数d33比单片压电陶瓷提高了N倍，电容提高了N2倍，电压下降了N倍(陶瓷承受相同的电场)。所以，叠层结构的多层陶瓷可以容易地改变压电系数、电容和电压的大小。

　　将多层陶瓷内电极结构用于压电陶瓷变压器的驱动和发电部分，可以通过调整陶瓷的层数有效地改变变压器的输入阻抗和输出阻抗，从而改变输入和输出电压的变比和电流的变比。与单片压电陶瓷变压器相比，多层片式压电陶瓷变压器更易获得高的升压比和大的输出功率(低的降压比和大的输出电流)和负荷阻抗匹配，在器件性能提高的同时，体积明显减小。多层片式压电陶瓷变压器的专利每年急剧上升。

　　制备多层片式压电陶瓷变压器的主要技术难点是获得能低温烧结的高性能压电陶瓷，因为压电陶瓷通常是在1250℃-1300℃烧结的，它与金属内电极共烧时需采用贵金属白金或含贵金属钯含量高的银-钯内电极料浆，所以，只有采用低温烧结的压电变压器陶瓷材料才能采用贱金属作为内电极，从而大幅度地降低多层片式压电陶瓷变压器的制作成本。

　　日本是世界上生产高档电子元器件最多的国家，在电子元器件研究和开发的投入也最大。目前，日本几乎所有大的公司如NEC、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata)、Panasonic、TOTO、京陶(Kyocera)等公司以及东京工业大学和山形大学研究机构都投入到压电陶瓷变压器的研究和开发中。美国主要有宾州州立大学著名的Smart Materials实验室、德州仪器公司、Motolora公司，欧洲有德国西门子公司、荷兰的Philips公司、法国的阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所以及以色列、韩国的Tronix公司和我国台湾的多家公司等都开展了压电陶瓷变压器研究和开发。

应用以升压为主

　　从目前压电变压器应用的状况看，主要是以升压为主的多层片式压电陶瓷变压器用于液晶显示器、静电除尘器、小功率激光管和高压电源等。日本NEC公司用多层片式压电陶瓷变压器用于手提电脑的液晶显示屏。

　　压电陶瓷降压变压器还处于研发阶段。日本的Tokin制备了可用于AC-DC适配器的、工作频率为180kHz、功率密度远优于磁性变压器的多层片式压电陶瓷降压变压器，NEC采用压电d31振动模式获得了140kHz的多层片式压电陶瓷降压变压器。它们都到了实用化的阶段，目前正在我国台湾组织生产。NEC公司制作的多层片式压电陶瓷降压变压器，器件尺寸为14mm×14mm×6mm，工作频率为140kHz，20W输出时的功率转换效率为97%。这种变压器与电磁式变压器相比，无二次谐振波，因而不需要在AC-DC适配器中加上高次滤波电路。

　　NEC还开展了用于DC-DC转换器的多层片式压电陶瓷降压变压器研究，该变压器利用厚度振动模式获得了工作频率为2MHz的降压变压器，20mm×20mm×2.2mm的功率转换效率达到98%，功率密度35W/cc，比电磁式变压器的功率密度20W/cc高，因此，日本NEC、ToKin、Mitschbishi等公司自1992年就联合开展研究，虽然至今在国际刊物上发表的研究结果很少，但一直在加紧开发该变压器。这种工作模式的降压变压器需用各向异性大的压电陶瓷材料。深圳富康电子陶瓷公司最近已成功获得了低温(950℃)烧结的各向异性大的压电变压器陶瓷材料。

　　日本富士通最近利用LiNbO3单晶制备了15mm×15mm×0.5mm的小型压电变压器，工作频率为4MHz，输出功率达到了30W～40W。目前主要解决的是半导体电子元器件的整流电路的问题，一旦获得解决，将在新一代的开关电源中获得广泛的应用。

　　丹麦Noliac公司报道的环状压电陶瓷变压器功率密度为4/cm3，转换效率达到98%，是至今报道的功率密度的最高值。新加坡南洋理工大学成功获得多路输出压电降压变压器，在温度升高20℃，能量转换效率为90%时，最大的输出功率达到了169.8W(一路输出电压为40.3W，另一路为129.5W)，是至今所见压电变压器最大的输出功率。

　　德国最近报道了利用压电陶瓷行波制备了压电变压器，其功率密度比目前使用的压电驻波制备的变压器提高了40%。

　　我国在低温烧结压电陶瓷变压器材料和多层片式压电陶瓷变压器进行了长期的研究和开发。中国科学院上海硅酸盐研究所获得"十五"863项目的资助，与国内的有关单位合作，研制和开发了具有自主知识产权的多层片式压电陶瓷变压器，性能指标达到和超过国际上相关器件的水平，为我国在该器件的研究和开发提供了技术保证。

结构简单 尺寸小 功率低 无污染
压电陶瓷变压器应用优势明显

　　压电陶瓷变压器的工作原理是利用压电陶瓷的正和逆压电效应，它通过对压电陶瓷体的电极和极化方向取向进行特点的设计，利用逆压电效应使输入端相连接的压电陶瓷在电压作用下产生机械振动，再通过正压电效应使输出端连接的压电陶瓷产生电压。当输入和输出端的阻抗不相等时，导致它们的电压和电流也不相等，从而实现输入和输出端之间的电压和电流大小变换的功能。

　　第一个压电陶瓷变压器是由美国的Rosen在1956年提出的，它具有升高输出电压的功能。变压器的输入电压端称为驱动部分，输出电压端称为发电部分。驱动和发电部分的极化方向不同，前者沿着陶瓷单片厚度方向，后者沿着陶瓷单片的长度方向。陶瓷上的银电极分别与输入和输出电压相连接。当压电陶瓷在驱动部分加上与压电陶瓷横向(长度方向)谐振频率相同的交流电压时，因压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷在长度方向产生机械共振，又因正压电效应使输入的电能转换成机械能。

　　由于压电陶瓷发电部分的长度大于驱动部分的厚度，输入阻抗远大于输出阻抗，因而输出电压大于输入电压，成为升压变压器。这种结构的变压器在数伏或数十伏的输入电压，可以获得数千伏的电压。

　　压电陶瓷变压器与电磁式变压器相比，具有以下一些特点：结构方面很简单，只有压电陶瓷片，无电磁式变压器的电绕线。外观尺寸方面，器件几何形状呈扁平结构，尺寸小，可根据要求不同振动模式的变压器，如长度或宽度振动的长方体压电变压器，径向振动的圆柱体压电变压器。

　　环境方面，器件不可燃，不怕短路，对外界无电磁污染。工作频率方面，工作在压电陶瓷体的谐振频率或高阶振动频率，它与压电变压器的外形尺寸有关。

　　负载特性方面，当负载阻抗发生变化时，它的谐振频率将发生偏移，因此，压电陶瓷变压器的电压和电流变比、功率转换效率等随负载阻抗而发生变化。

　　在低于陶瓷体谐振频率时，压电变压器表现为电容特性，在高于谐振频率以上表现为电感特性，只有在谐振频率附近才为电阻特性(它对应着压电陶瓷的机械共振)。所以，压电陶瓷变压器的工作频率受谐振频率的限制，具有一定的工作带宽。

　　电磁式变压器无工作带宽的限制，频率范围宽，但是，由于电磁式变压器是由绕线和磁性材料组成，主要表现为电感特性，所以，在低频时输入和输出随频率降低而下降，为了制作低频小功率的电磁式变压器，必须增加绕线的电感，因而难以实现器件的小型化。

　　压电陶瓷变压器尺寸基本决定了器件的输出功率。压电陶瓷的功率密度为15W/cm3～0W/cm3。通常，制备输出功率在10W以下的压电变压器比较适合，30W以上的相对比较少。

　　输入电压根据应用需求的输入电压大小确定器件的结构形式和机械振动模式。设计时应考虑压电陶瓷在极化方向相反的高电场作用下易使压电性能消失，因此，压电变压器必须考虑其安全的工作状态。输出电压与输入电压相同，应当根据应用要求，确定压电陶瓷变压器的输入电压。

　　压电陶瓷变压器是在谐振状态下工作，该工作频率主要由器件的尺寸决定。所以，变压器的结构和尺寸由实际需要的工作频率决定。

　　由于压电变压器性能的频率特性与负载有关，需根据应用要求的负载阻抗确定变压器的输出端的挟持电容，使变压器有高的功率转换效率。

　　功率转换效率是指输出功率和输入功率之比。理想的压电陶瓷变压器的功率转换效率可以接近100%。

　　压电陶瓷变压器小型薄片型结构是其主要的特点，因此，根据应用要求确定器件尺寸是其关键。

　　压电陶瓷变压器因在谐振状态下产生发热，通常确定压电陶瓷的工作温度须低于60℃。

　　压电效应是指具有极性的陶瓷材料在外力作用下，它的两个特定电极表面产生电荷。这种效应可以用压电系数和机电耦合系数来表示。通常极化方向能随外电场方向改变的铁电材料具有大的压电和机械耦合系数。压电陶瓷是一种经高温烧结后的多晶材料，它是由许多铁电性微小晶粒组成。通过对烧结的陶瓷进行切割和磨片，得到所需尺寸的陶瓷片，在陶瓷的两个表面上设置电极，在适当的温度下极化后，获得具有压电性的压电陶瓷。不同几何形状的压电陶瓷有着不同的振动模式，它可以用不同的压电和机电耦合系数表示。对于压电陶瓷变压器用的压电陶瓷，应具有高的介电系数、压电系数、机电耦合系数以及高的居里温度、低的介电和机电损耗。

　　压电陶瓷变压器是在自由振动状态下工作，因此，它比压电陶瓷换能器中在预应力下工作的压电陶瓷具有更高的机械强度。

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