陶瓷变压器及其应用
1 陶瓷变压器及其特点
陶瓷变压器，国外多叫做压电变压器。它是用压电陶瓷材料制成的具有电压变换特性的器件。其基本原理是利用材料的压电效应进行机电能量的二次变换，在谐振频率上获得升（降）压输出。陶瓷变压器的结构、种类很多，例如按振动模式可分为：模向振动型，纵向振动型，横—纵向振动型，径向振动型和弯曲振动型等。
和传统的电磁变压器比较，陶瓷变压器具有很多突出的优点，即器件系板状或层状结构，高度低，重量轻，体积小；不使用线圈，生产性好；几乎无电磁波辐射干扰；效率高；不容易打火、冒烟，使用安全。其缺点是谐振频率和变压比与负载的大小和温度等因素有关，因此在较宽的温度范围内使用时，必须要有同步的激励源方能获得满意的结果。陶瓷变压器可用作阻抗和电压的变换，特别适合对小电流的高压变换。
陶瓷变压器的发展已有近50年的历史。早在1956年，C.A.Rosen 就报道过这种器件。之后，开展了实用化研究。近几年，压电材料的制备、加工工艺和器件的设计、制造技术取得了长足的进步，可靠性提高，加之在控制电路和驱动电路方面狠下功夫，进行了小型、低高度高压电源的开发，已实际应用在折叠型计算机、笔记本电脑、摄录一体化VTR、PDA和一些压电制动器自供电系统等中，市场正日益扩大。
下面，主要介绍陶瓷变压器的三种应用产品及相关的技术问题。
2 陶瓷直流电源变换器
这是一种直流变换器，主要通过陶瓷变压器的升压作用将直流低电压电源变换成直流高电压输出的装置。它的工作原理如图1所示：它是把陶瓷变压器插入反馈电路中，利用其谐振时阻抗最小，即反馈量最大的特点，使得振荡电路跟踪陶瓷变压器的谐振频率而工作。为了得到直流高压和较高的传输效率，在陶瓷变压器的输出端采用倍压整流电路，以得到高而且稳定的直流电压输出。

陶瓷直流变换器因其变换比较高（可达数百倍），且具有体积小、重量轻、又无磁场干扰、使用安装方便等优点，故适用于需要高电压小电流的仪器和设备，如雷达、计算机用的高、中压电源。
对于电源变换器用的陶瓷变压器，要求输出端的电容Ca2要足够地大。据此，把它制成内部电极和陶瓷材料在长度方向上叠层的多层结构，以获得高的传输效率和大功率输出。
3 LCD用逆变器
日本东北金属工业公司最近推出PIT-03系列液晶显示器（LCD）背面照明用压电逆变器，用于笔记本电脑等。该产品从1999年开始投入批量生产，现月产量约15万只。产品从材料到电路均采用流水线作业，达到高效率、薄型化。
目前，笔记本电脑用显示器正在向大屏幕方向发展，即从原来的10.5英寸型变为现在的13英寸型。因此，要求背面照明的逆变器具有高的输出功率和传输效率，而且高度低、重量轻。采用传统的电磁变压器作这种逆变器，则很难满足这种要求，并且会不可避免产生大的电磁波干扰噪声。因此，公司采用陶瓷变压器来构成这种逆变器。
陶瓷（压电）逆变器的特点，是加到逆变器上的负载阻抗大，升压比就大；负载阻抗小，升压比也变小。此外，用于背面照明的冷阴极荧光灯还具有如下特点：点灯前阻抗大，必须供给高电压；点亮灯后阻抗变小，电压就下降。也就是说，LCD背面照明用的陶瓷逆变器必须是与冷阴极荧光灯特性匹配的逆变器。
陶瓷变压器是构成上述逆变器的核心部件。如前所述，陶瓷变压器是将电能变换成机械能，再从机械振动中取出电能。它的传输功率P与机械振动速度U的平方、材料机电耦合系数K的平方、器件质量m和驱动频率f之乘积成正比，即
(1)
在考虑器件小型化时，若使其质量减半，将U变为倍，将驱动频率提高1倍（2f），在理论上可以得到相同的输出。但是，如果升高频率，在将逆变器装进显示器机壳内时，它会受到杂散电容的很大影响，成为提高输出的障碍，并且会缩短荧光灯管的寿命。可见，要达到小型化，最好是提高振动速度。不过，压电陶瓷存在一个机械励振的极限速度（Umax），一旦超过这个速度，材料的机械品质因素（Qm）就下降，随之又会出现急剧温升和效率降低这类问题。由此看来，要设计制造出小型高效的逆变器用陶瓷变压器，必须精心选择材料的性能参数，认真研究器件的输出特性，在设计时事先弄清与其用途（特别是负载）相适应的器件结构。
陶瓷逆变器用变压器的典型结构系Rosen型，它是用压电陶瓷矩形板构成，使将近一半部分的板在厚度方向上极化，余下部分在长度方向上极化，利用纵向压电效应得到输出。这里，有两种陶瓷材料（A，B）可供选择，其性能参数列于表1中。检验A、B两种材料的振动速度与温度之关系，得到各自的Umax值分别是0.45m/s和0.35m/s。就同一形状的器件而言，两种材料的质量和驱动频率无重大差别。由（1）式可知，器件的输出功率主要受K2·Umax2控制。计算这个K2·Umax2值，结果列于表2。从表1中看到，A、B两种材料的K33值相差无几，所以Umax值大的材料A，其K2·Umax2积也大，即输出功率大。按上述结果，用A、B两种材料分别制成外形尺寸均为42×6×1.5mm的器件，计算其是最大输出功率，结果是A材料的Pmax≈14W，B的Pmax≈11W。可见，用材料A制成的陶瓷变压器可以得到较大的输出功率。


4 新的有源振动阻尼用压电制动器驱动电源
压电制动器在需要响应速度快和制动力大，如有源阻尼应用方面很有吸引力。这此制动器通常都安装在电池性能、尺寸和重量均受到限制的自供电系统中，如汽车、直升飞机、航天飞行器、卫星等用的自供电系统中。而这些所需要的交流驱动电压，其典型值在100～1000V内，与普通电池的9～24V相差甚远。这就要使用体重、个大且有电磁干扰噪声的电磁变压器，可这又与轻量、小型化的要求相矛盾。为此，美国Face Eleclranics公司设计制造出一种新的陶瓷变压器，注册商标“”。在设计和输入、输出部分间的机电耦合这两个关键概念上，新变压器与Rosen型有很大差异。它使用单个PZT陶瓷圆片在厚度方向上叠层构成。特别是在输出部分由多个薄片并联，使其具有低阻抗，以此在低、中负载（1～10KΩ，视选定的设计方案而定）下达到高的功率传输特性。输入、输出部分利用径向延伸振动，是典型的以其一次延伸振动模式驱动。在此种条件下，振动遵循贝塞尔函数，且与输入和输出间的径向耦合系数有关。对PZT材料而言，径向机电耦合系数是横向耦合系数K31的2倍大。此外，输入、输出间的耦合面积可扩展到整个表面（Rosen型陶瓷变压器中的横向面积较小），这就使变压器的所谓“力因子”（功率容量的度量）增大。因此，的功率传输特性得到很大改善。它的另一优点，是将输入和输出部分彼此绝缘，使设计简化。这点在包括全桥整流器的应用中很重要。这种绝缘变压器的直径是25mm，总厚度6mm，功率容量大于70W。经检验，加1KΩ负载，一次径向共振的最高效率达91%；在同样条件下，测得升压比2.77。随着负载加大，升压比提高，可效率下降。
特别适用于要求功率密度大、尺寸小、重量轻、初次级间绝缘、EMI小的电源变换器。已用它制成输出功率110W，功率密度大于40W/cm3（Rosen型一般分别是5～10W和5W/cm3以下）的压电电源变换器，成功用于驱动压电制动器。该变换器系升压型直流变交流电源，由三大部分组成：
（a）共振式逆变器，把电池的24V直流输入电压变换成输出交流电压；
（b)用交流共振电压驱动的大功率，由它放大交流输出电压，可达600Vpp;
（c）半桥式PWM逆变器，通过电感滤波器产生驱动制动器信号。■