摘要：  随着电子设备尤其是移动通讯、个人计算机、数码相机等向小型化、多功能化方向发展，压电陶瓷变压器这类适应其要求的电子元件进一步受到人们的关注。本文简要论述压电陶瓷变压器的基本概念及其在高压电源等领域的应用。文章专门推介了一种叠层式降压型压电陶瓷变压器的工作原理、基本结构、等效电路以及实验测试数据与计算结果的比较。对叠层式降压型压电陶瓷变压器应用于高频开关电源时工作状态进行了测试。文章还将压电陶瓷变压器的性能特点与电磁变压器作了比较，指出了各自的一些优缺点。

关键字：  压电陶瓷变压器，高压电源，高频开关电源，铁电材料

1 引言
电子技术的飞速进步，使得移动通讯，个人计算机，传真机，数码相机等个人电子用品甚至航空航天电子、汽车电子等都被要求实现轻小薄型化、高功率密度、高效率和多功能化，这些产品大多数需要低电压大电流供电方式。另一方面，又有一些大型电子设备如雷达、静电复印机等则要求高达几千伏甚至上万伏的高电压供电。通常情况下，它们都采用电磁式变压器电源实施供电。在实践中，我们熟知电磁式变压器的主要缺点，例如体积大，用于高压侧的绕组及其绝缘层的处理比较困难，在高电压下工作容易打火甚至击穿，故障率较高；而电磁式变压器在高频状态工作时，则其磁性损耗和涡流损耗增大，并且，电磁式变压器不易实现小型扁平化，目前是三大被动元件中小型化程度最低的。电磁式变压器的这些不足，采用压电陶瓷变压器可以得到较好解决。使用铁电材料（例如PZT，PMMN）经过高温烧结，高压极化等一系列工艺过程制造获得的压电陶瓷型变压器可以达到体积小、重量轻、不会击穿、不怕短路、不受潮湿影响、变压比高等要求。然而，常规结构（见图1）的压电陶瓷变压器的工作频率较低、输入阻抗较大，所以不适合用作高频功率变换器的电源变压器。为了使压电陶瓷变压器能用于高频开关电源，可以通过改变其结构和振荡模式来实现。本文推介的叠层降压型压电陶瓷变压器即是其中一例。
2 压电陶瓷变压器的一般概念
与传统的电磁式变压器比较，压电陶瓷变压器所用的材料、产品结构，工艺技术和工作原理均不相同。电磁式变压器所用主材是软磁材料和导电材料，分别用作结构的磁心和绕组，能量变换形式是电—磁—电。压电陶瓷变压器所用主材是PZT、PMMN等铁电陶瓷材料，经高温烧结和高压极化成为产品，是电—机—电的能量变换方式。电磁式变压器的能量变换按其结构形式需要在一个正交的立体空间完成，而压电陶瓷变压器可以在一个平面内进行能量变换，因此，压电陶瓷变压器容易实现片式化制造。
由于升压型和降压型陶瓷变压器的结构和技术参数的要求不同，文章将分别叙述。
3 升压型压电陶瓷变压器
升压型压电陶瓷变压器的结构为长条片状，如图1所示。它被分成两个部位：左半部位的上下两面都烧渗银电极，沿厚度方向用高压极化成输入端，称作驱动部位；右半部位的端头同样烧渗银电极，用高压沿长度方向极化，作为输出端，称为发电部位。由图可见，这种结构的压电陶瓷变压器制作简单容易，升压比高，容易固定。
升压型压电陶瓷变压器采用Pb(Mg1/3 Nb2/3)A(Mn1/3 Nb2/3)BZrcTiDo3陶瓷材料制造。这种材料的Qm值、Kp值和机械强度都较高：Qm值可达3500，Kp值达0.64，d33为310。这种材料有利于提高压电陶瓷变压器的升压比。
3.1 升压型压电陶瓷变压器的工作原理
由原材料烧制成的压电陶瓷晶体，在居里温度之下属四方晶相的多电畴结构，经高压电场极化后，因其电畴转向而使陶瓷体内的极化强度不为零而具有压电性。当在压电陶瓷变压器的输入端（驱动部位）接入交变电压时，由于逆压电效应，使压电陶瓷变压器的长度方向上产生伸缩振动，即将输入的电能变换成了机械能。在发电部位（输出端）由于存在纵向振动，通过正压电效应，机械能被变换成电能，致输出端有电压输出。压电陶瓷变压器的能量变换过程与电磁变压器截然不同，即电—机—电的变换。
压电陶瓷变压器的升压比可以用压电学理论导出：
                            (1)
式中，G为变压器空载升压比，Qm是陶瓷材料的机械品质因数，K31、K33为材料的机电耦合系数，L、t分别是发电部位的长度和厚度。
由式(1)可见，压电陶瓷变压器的长度越长，其升压比越大；而厚度越薄升压比也越大。例如，一例尺寸为40×8×1.5(mm3)的压电陶瓷变压器，其空载升压比达300，全波谐振模式的谐振频率为85kHz，变换效率最高达90%。[#page#]
3.2 压电陶瓷变压器的电特性
压电陶瓷变压器是谐振体，就是说，只有在其驱动电压的频率等于压电陶瓷耦合器的固有谐振频率、谐振体处于谐振状态，沿长度方向振幅最大的情况下，才能实现有效的电压变换。压电陶瓷变压器的等效电路比较复杂，考虑到输出端对输入端的影响，可用电声学理论最终推导出从输入端看进去的等效电路，见图2。图2中，C0表示压电陶瓷变压器输入极板之间的静态电容，L1、C1分别是驱动部位的动态等效电感和等效电容，R为等效损耗电阻。
在可以忽略损耗的情况下，压电陶瓷变压器的谐振频率为：
                                  (2)
反谐振频率为：
                              (3)

谐振时，电路为串联谐振性质。理论分析和实验结果都表明：在压电陶瓷变压器空载时，输入谐振阻抗很小，只有几百欧姆，而且是纯电阻；重载时损耗变大，谐振阻抗增加到几百欧姆和几千欧姆之间。
图3所示为测量尺寸为40×8×1.5(mm3)PMMN压电陶瓷变压器全波谐振模式时所得到的升压比的频率特性曲线。由图3可见，压电陶瓷变压器的升压比随输入电压的变化而变化，在谐振频率附近的升压比最大，该曲线大体对称，可见只要偏离谐振频率，则升压比将迅速下降。
图4示出了输入阻抗与负载阻抗的关系曲线。众所周知，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4可以看出，压电陶瓷变压器的输入阻抗随负载阻抗的减小而增加。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得变压器和其它外围元件不至被烧毁。
图5所示为压电陶瓷变压器的负载特性曲线。它示出了输入电压一定时，输出电压随负载阻抗变化的关系。该曲线表明，输出电压随负载阻抗的增加而增加。压电陶瓷变压器的这一特性是由于输出阻抗很大而引起的。因此，在负载变化的情况下采用压电陶瓷变压器作稳压高压电源时，必须采取相应措施才能保证高压具有较好的调整率。
3.3 采用升压型压电陶瓷变压器的高压电源
3.3.1 电路设计
以上提到，压电陶瓷变压器是谐振体，驱动压电陶瓷变压器的频率，必须与压电陶瓷变压器的谐振频率一致，才能有效地进行电压变换，但是，压电陶瓷变压器的谐振频率常常受负载阻抗，环境温度等外界因素的影响而发生变化。所以，为了获得最佳输出，需要根据其谐振频率的变化使驱动频率实现自动调整。此外，由于压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，而且当负载阻抗变化时，输出电压随之变化，这就难以满足高压电源输出电压稳定性要求，因此也需要一种调整电路对输出的高电压进行自动调整。所以在电路设计上采用了双管自激式振荡电路为驱动电路，以脉宽调制器(PWM)为高压稳定性调整电路的高效率、高稳定性高压电源，见图6所示。
由图6可知，Q1、Q2、T1、T2、T、R1、D2、D5组成了双管自激式振荡电路，T1为驱动变压器、T2为反馈振荡线圈，T是压电陶瓷变压器；L2、C5组成谐振回路，合理调整L2的电感量，使谐振频率等于压电陶瓷变压器的谐振频率时，压电陶瓷变压器的输出电压最高，输入阻抗最低，通过L1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，通过反馈电流实现驱动电路的频率跟踪。
该电源的稳压调整电路由脉宽调制器(PWM)、Q3、L、D1、C1组成，R2、W、R3是取样电路。以下以负载电阻增加使输出电压升高为例来说明高压稳定原理：当电压升高时，PWM反相输入端1脚处电压升高，输出端2脚处输出脉冲变窄，经过晶体管Q3的电流放大，L、C2滤波后的输出电压（即自激式振荡电路的输入电压）降低，又使得输出高压降低，从而实现了电源输出电压的稳定。
[#page#]3.3.2 性能测试
a.输入—输出特性测试
将24V直流电压加在压电陶瓷变压器高压电源的输入端，调节RP使电源的输出电压为10kV，在负载电阻RL=10MΩ的不变条件下，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（见图7所示）。从图7可见。所设计的压电陶瓷变压器高压电源具有良好的电压稳定性，电压调整率小于2%。
b. 负载特性测试
所测试的压电陶瓷变压器高压电源的输出电流为200μA，当输入电压VC=24V、输出电压为10kV的情况下，变化负载电阻，使输出电流在(0~200)μA内变化，测得的输出电压变化量为100V，负载调整率≤1%。
c. 温度特性测试
将被测试的电源放入高低温试验箱内，并把高压输出线引出箱外，由Q3高压表测试输出的高压值，箱内的温度调节到-20℃，20分钟后启动高压并开始升温，每上升10℃保温20分钟，使被测试产品的温度与环境温度达到热平衡，最终升温到60℃。图8示出了输出电压的温度变化曲线，图中可以看出压电陶瓷变压器高压电源的输出高压随温度的变化率小于1%。
3.3.3 压电陶瓷变压器高压电源的应用
我们已经知道，压电陶瓷变压器的特点是体积小，重量轻，不会击穿，不怕短路，升压比高，输出阻抗高等。它们主要被应用于高压小电流领域。例如静电喷塑设备需要60kV的高压，传统上它们采用柜式电源供电。现采用压电陶瓷变压器高压电源，可以将其安装在高压喷枪的手柄上，使用方便，降低了成本。
压电陶瓷变压器高压电源用于30kV-50kV警用电击器，效果良好。因为压电陶瓷变压器具有较高的输出阻抗，因此这种电击器除威慑力强大以外，还有安全可靠，不会致死致残等特点。
压电陶瓷变压器用于液晶显示背光电源最具代表性。液晶显示背景光源采用冷阴极管(LCD)，其击穿电压约1500V，工作电压约400V。压电陶瓷变压器的输出阻抗高，恒流特性较好，这恰好符合点亮冷阴极管电源的技术要求；而且，压电陶瓷变压器的厚度只有1.5mm，这也正好适应液晶显示器薄形化的要求。
升压型压电陶瓷变压器的应用比较广泛，此不多述。
4 降压型压电陶瓷变压器
4.1 降压型压电陶瓷变压器的结构和工作原理
由于升压型压电陶瓷变压器只能在较低频率工作，且输入阻抗较高，故不适合用作功率变换的变压器。叠层式降压型压电陶瓷变压器是以厚度扩张振动模式工作的一种压电变压器，其结构如图9所示。该变压器的输入部位是一单层的压电陶瓷，输出部位由叠装在一起的多层压电陶瓷组成，在层与层之间有导电电极，电极与电极间每相隔一层连接，引出正、负电极。在输入部位和输出部位之间有一绝缘层，在底部和顶部各有一层压电活性很低的绝缘层。输入部位沿变压器厚度方向极化，输出部位也沿厚度方向极化，但输出部位相邻叠层的极化方向相互相反（图9中的箭头表示极化方向）。绝缘层在厚度方向的中央，它对输入端和输出端进行电学隔离，在高压与低压之间阻挡电压差以保护介电体的安全性。
当输入端加上一个交流电压时，由于逆压电效应，产生沿厚度方向的扩张振动。这种机械振动被传递到输出端，并通过正压电效应产生一个交流输出电压。输出电压与输入电压之比值取决于输出部位与输入部位单一压电陶瓷层之间的厚度比。
这种压电陶瓷变压器的厚度扩张振动模式有两种，即半波振动模式和全波振动模式，或称为一次模式和二次模式。图10所示为半波和全波振动模式的位移和应力曲线分布。
图10(a)为半波振动模式（或一次模式），其变压器的厚度等于半个波长，其中输入部位与输出部位同步伸缩振动。图10(b)为全波振动模式（或二次模式），变压器的厚度等于一个波长，输入部位与输出部位之间的收缩和扩张交替进行。因为在压电陶瓷材料中，压电效应产生的电荷量与应力成正比，从图10可知，半波模式振动时的最大应力在绝缘层部位，输入部位与输出部位不能有效地利用振动的最大能量。而全波模式优于半波模式，如图10(b)所示，其应力的最大值在输入部位和输出部位的中部，振动能量可得到最大利用，故全波模式工作的压电陶瓷变压器更具有使用价值，它们更能在高频状态有效地进行功率传递。[#page#]
4.2 叠层降压型压电陶瓷变压器的等效电路及理论分析
图11所示为用集成常数等效电路方法分析叠层降压型压电陶瓷变压器的等效电路。用这种方法，可以根据输入端和输出端元件的量值设计出负载电阻与效率、输出电压等的关系。
图11的字符说明：C1—输入端电容，C2—输出端电容，L—等效电感，C—等效电容，R—等效电阻，n—变压比，RL—负载电阻。
等效电路分析、计算及结构概述如下：
以下计算式中，wS为工作频率，P1，P2分别为输入功率和输出功率。
(1)变压比G的计算：
                          (4)

当RL为无穷大时，G达到最大值
                              (5)
(2)计算确定输出功率
            (6)

                    (7)

当(wSC2n2R)21时，R2max可简化如下：
                                 (8)
(3)输出功率最大时的RL计算
                         (9)
当(wSC2n2R)21时，RL=n2R                                        (10)
(4)计算功率变换效率
                    (11)

                              (12)
根据以上公式可计算出输出电压、输出功率以及变换效率随负载电阻的变化关系，并画出如图12的曲线。图12可见，输出功率P2和效率η各有一个峰值。
4.3 叠层降压型压电陶瓷变压器的设计与检测
a.  对压电材料的要求
在设计叠层降压型压电陶瓷变压器时，压电材料必须满足以下性能要求：
①由于这种变压器工作在厚度扩张振动模式，故要求厚度方向的机电耦合系数Kt值要高，以能获得高的变换效率；而横向机电耦合系数Kp要小，以抑制横向寄生振动的干扰，即压电材料的Kt/Kp值要尽可能大些。
②机械品质因数Qm值要高，介电损耗要小，以提高变压器的效率，减小发热。
③要求材料的居里温度高、致密性好、稳定性好，以利于提高变压器的抗老化性。
一般情况下，以PZT材料以及以PZT为基础的改性3元系、4元系材料都具有大的压电活性和高的机械品质因数，但是，它们不具备大的各向异性要求。PbTiQ3陶瓷材料具有居里温度高、介电常数小、压电各向异性大以及抗老化性能较好等优点，所以，这是制作叠层降压型压电陶瓷变压器的理想材料。使用这种材料生产了结构尺寸为2.2×15×15(mm3)，输入端为0.88mm厚的单层片，输出端则由5层0.176mm厚的薄片组成，绝缘层厚度为0.22mm，输入端与输出端之间的绝缘耐压大于1000V的叠层降压型压电陶瓷变压器。[#page#]
图13所示为叠层式降压型压电陶瓷变压器在一定的负载电阻下，利用等效电路参数计算获得的变压比G和效率η随频率变化的曲线。假设Qm=500，RL=50，从计算的结果可知，变压比G在1MHz、2MHz、3MHz附近，分别存在3个峰值，并分别表示一次、二次和三次厚度振动模式；二次振动模式具有比一次和三次振动模式更宽的频率特性，二次振动模式的效率达到95%。
图14示出了降压型压电变压器的变压比及效率随负载电阻变化的计算值曲线。假设Qm=500、fr=2.02MHz，从计算结果可知，负载电阻小于1Ω时，变压比随负载电阻的增大而增大；负载电阻大于1Ω时，变压比基本上不因负载电阻的增大而变化，其值为0.2，正好等于输出部位单层片的厚度与输入部位厚度之比；负载电阻值在1Ω-30Ω范围内，效率可达90%。
图15所示为叠层式降压型压电陶瓷变压器的变压比和效率随负载电阻变化的实验测试所得数据的曲线。当负载电阻为13Ω时，变压比为0.3，负载电阻增加变压比也增加。当负载电阻RL约等于20Ω时，获得90%的最大效率。负载电阻在10Ω~15Ω之间的效率大于80%。
综上所述，叠层式降压型压电陶瓷变压器的特性与驱动频率和负载电阻的关系密切，合适的外部电路是组成压电变压器式高频开关电源的关键环节。
4.4 叠层式降压型压电陶瓷变压器式高频开关电源
a. 驱动与控制方法
在DC/DC变换器中采用压电陶瓷变压器，必须在其输入端加一个开关驱动回路，在输出端使用整流回路。当一个矩形波交流电压作用在压电陶瓷变压器的输入端电极时，输入能量的大部分消耗在输入电容器C1的充电和放电过程中，如图16所示，其余的能量通过压电陶瓷变压器的LC振荡电路产生谐振，并被传输到整流电路。因此要降低压电陶瓷变压器型高频开关电源的功率损耗，减小压电陶瓷变压器输入端的电容器C1的电容量最关键。
由图16可知，压电陶瓷变压器的输入输出电压的控制方式，频率的调节方式，电压变换特性，其应用非常简便，因此，受频率变化影响的变压比及高的变换效率可以在非常宽的频率范围内获得。
b. 叠层式降压型压电陶瓷变压器式高频开关电源的实验与测试结果
图16所示为压电陶瓷变压器型高频开关电源电路图。因为降压型压电陶瓷变压器在二次模式下工作最合适，所以选择2MHz的电路工作频率。在电路中，开关驱动装置选用的是250V/6A的MOSFET，整流电路则选用两个60V/1A型号的肖特基二极管。
图17所示为输出电压、输出功率以及效率与负载电阻的关系。在此，开关电源工作频率的变化范围是1.9MHz~2.2MHz，分别选择1.9MHz、2.0MHz、2.1MHz和2.2MHz等4种情况测试，图中示出了测试结果。图中可见，输出功率和效率对输出电流变化存在峰值，因此，压电陶瓷变压器的负载特性对开关电源的性能有较大的影响。
图18所示为高频开关电源输出电压，输出功率以及变换效率与频率的关系。图中，输出电流为0.2A。图中可见，频率为2.1MHz时的功率输出最大，为4.4W，效率为52%。
5 小结
文章介绍了升压型和降压型两种类型压电陶瓷变压器及其在高压电源和高频开关电源中的应用。与电磁变压器比较，压电陶瓷变压器容易实现轻小型化和片式化，功率密度高；没有磁心损耗和绕组（铜）损耗；不存在电磁噪声；升压型压电陶瓷变压器的升压比高，适合用于高压小电流电源，而叠层式降压型压电陶瓷变压器适用于高频开关电源，其功率密度可以达到1bW/cm3，变换效率≥80%。
参考资料
[1] 电子元器件应用 内部刊物
[2] 国际电子变压器 内部刊物