压电陶瓷变压器电学特性及应用

摘 要：介绍了PMMN压电陶瓷变压器的基本结构、工作原理、等效电路和基本特性；设计出一种结构简单、稳定性好的压电陶瓷变压器驱动电路，这种驱动电路和压电陶瓷变压器所组成的压电陶瓷变压器高压电源具有工作效率高、不怕短路、稳定可靠等特点，在高电压小电流应用领域有很好的应用前景。
关键词：压电陶瓷变压器 频率特性 驱动电路

1. 引言
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，这种变压器具有体积小、重量轻、不会击穿、不怕短路、升压比高等显著特点[1]，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。

2 压电陶瓷变压器
2.1 材料与结构
我们研制的压电陶瓷变压器采用BZrcTiDO3陶瓷材料制备，该材料Qm值、Kp值、和机械强度高，Qm值可达3500、d33为310、Kp为0.64，这些对制备高升压比压电陶瓷变压器是非常有利的[2]。
压电陶瓷变压器采用长条片形结构如图1所示，整个瓷片分成两个部份，左半部份上下两面都烧渗有银的电极，沿厚度方向激化作为输入端，称为驱动部份，右半部份的右端也烧渗银的电极，沿长度方向激化，作为输出瑞，称为发电部份。压电陶瓷变压器这种结构形式具有制作容易、升压比高、易固定等特点。

图1 压电陶瓷变压器结构
2.2 工作原理
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，因此在输出瑞有电压输出。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。
压电陶瓷变压器的升压比可以用压电学理论推导出：
（1）
式中 为空载升压比，Qm为材料的机械品质因数，、为材料的机电耦合系数，L、t分别为发电部份的长度和厚度。从（1）式可以看出：压电陶瓷变压器的长度越长升压比越高，厚度越薄升压比也越高。我设计的压电陶瓷变压器几何尺寸为40×8×1.5mm，空载升压比为300，全波谐振模式谐振频率为85KHZ。转换效率最高可达90%。
2.3电学特性
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，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所示。 图中表示压电陶瓷变压器输入极板之间的静态电容，、分别为驱动部份的动态等效电感和等效电容，R为等效损耗电阻，在忽略损耗情况下，压电陶瓷变压器谐振频率为：

反谐振频率为：

谐振时电路为串联谐振性质。理论分折及实验结果都证明：压电陶瓷变压器空载时，输入谐振阻抗很小只有几百欧，且为纯电阻，重载时损耗变大，谐阻抗增加，一般在几百欧到几千欧之间。

图2 压电陶瓷变压器等效电路
图3是测得尺寸为40×8×1.5PMMN压电陶瓷变压器全波谐振模式的升压比-频率特性。从图可以看出，压电陶瓷变压器升压比随输入电压变化而变化，在谐振频率附近升压比最大，曲线大体对称，偏离谐振频率，升压比迅速下降。

图3 G-f特性曲线
图4表示输入阻抗与负载阻抗的关系，我们知道线绕变压器的输入阻抗和负载阻抗成正比关系，而压电陶瓷变压器则相反，从图可以看出压电陶瓷变压器输入阻抗随负载阻抗减少而增加，压电陶瓷变压器的这一特性非常重要，因为负载短路或高压放电时，压电陶瓷变压器输入阻抗迅速增加而使变压器及其它外围元件不至烧毁。

图4 -特性曲线
图5表示压电陶瓷变压器负载特性，它表示在输入电压一定条件下输出电压随负载阻抗的变化的关糸。特性曲线表明，输出电压随负载阻抗的增加而增加。压电陶瓷变压的这一特性是由于输出阻抗很大而引起的，因此，在负载变动情况下采用压电变压器作稳压高压电源时、必须采取措施，才能保证高压有较好的调整率。

图5 特性曲线
3. 压电陶瓷变压器高压电源
3.1 电路设计
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。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，电路结构如图6所示。

图6压电陶瓷变压器高压电源工作原理图
图中、、、、T、、、组成双管自激式振荡电路，为驱动变压器，为反馈振荡线，T是压电陶瓷变压器，、组成谐振回路，合理调整的电感量，使谐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，通过的反馈电流最强，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。
该电源稳压调整电路由脉宽调制器PWM、、L、、组成，、W、是取样电路，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，经过晶体管电流放大、L、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。
3.2 性能测试
3.2.1输入-输出特性
将24V直流电压加在压电陶瓷变压器高压电源输入端，调节使电源输出电压为10KV，在负载电阻( =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7所示，从图可以看出，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，电压调整率小于2%。

图7 -特性曲线
3.2.2负载特性
该电源设计输出电流为200μA，在输入电压为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％。
3.2.3温度特性
电源样品置入高低温箱内，将高压输出线引出箱外，由高压表测试输出高压，箱内温度调到-20℃，20分钟后启动高压并开始升温，每升10℃保温20分钟使样品温度与环境温度达热平衡，最终升温到60℃。图8是输出电压的温度变化曲线，从图可以看出压电陶瓷变压器高压电源输出高压随温度变化小于1％。

图8 -T性曲线
4. 应用
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。
我们还以压电陶瓷变压器为升压器件研制出30kV-50kV警用电击器，该产品通过了公安部检测中心测试，符合国家警用装备技术标准，因为压电陶瓷变压器有较高的输出阻，因此这种电击器除了具有强大的威慑力外，还具有安全可靠，不会致命的特点。
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。
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。

[参考文献]
[1] 邝安祥. 压电陶瓷变压器驱动电路研究，武汉师范学院学报，1978，1：50
[2] 邝安祥，周桃生，何昌鑫，大功率压电陶变压器的研究，1989，34（11）：811～813.