压电变压器的研究进展

压电变压器的研究进展文献综述报告一．压电变压器原理1.传统变压器自1884年电磁变压器发明以来，其在交流供电方面得到了广泛的应用。然而，随着电子领域的微型化和集成化发展，传统的电磁变压器面对这一新的挑战，显得有些力不从心。在使用电磁变压器的电子系统中，变压器往往占据了整个系统的很大一部分体积，而且变压器所产生的电磁干扰对于电子系统来说也是很棘手的问题。2.压电变压器的发展压电变压器是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3kV，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kp和高Qm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50W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。可以预言，在电子领域的未来几年中，压电变压器必将大规模地代替电磁变压器，当然电磁变压器在电力领域还是会继续发挥其巨大作用的[1~4]。3.压电变压器的优点压电变压器作为一种新型电子件，与传统的电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、升压比大、转换效率高、输出波形好、使用时不会击穿、变压器本身耐高温、不怕燃烧和不引起电磁干扰，且结构简单、制作简便易批量生产、能节约有色金属、不用磁芯等优点，特别适用于电子集成领域[1~2]。4.压电变压器的工作原理和结构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。根据升压比的不同，压电变压器可以分为升压变压器和降压变压器。升压变压器一般工作在超音频范围，而降压变压器则工作在工频范围内[1]。可以通过对瓷片长度和厚度尺寸的控制来改变其工作方式[5]。根据振动模式的不同，压电变压器可分为Rosen型、厚度振动型、径向振动型等[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（ColdCathodeFluorescentLamps），可为手机、笔记本电脑的LCD显示器提供背光源。图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1Rosen型压电变压器Fig.1Rosen-typepiezoelectrictransformer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2所示。在输入端加上交变电压，由于逆压电效应，输入端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。图2厚度振动型压电变压器Fig.2Thicknessvibrationmodepiezoelectrictransformer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，可用在电子整流器、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3径向振动型压电变压器Fig.3Radialvibrationmodepiezoelectrictransfomer二．压电变压器研究现状目前对压电变压器的研究主要集中在以下三个方面，以期获得小型化、高输出功率、高转换效率、宽频带以及低烧结温度等的压电变压器。（1）新型压电材料的研究。PZT是目前应用较为广泛的压电材料，其kt/kp很大，居里温度高，适于作利用厚度伸缩振动来变换能量的压电变压器的材料，经掺杂改性或固溶复合钙钛矿形成多元系材料就可以获得满足性能要求的压电材料。目前，人们对压电材料研究的主要目的是为了获得高机电耦合系数、低温度系数、低烧结温度、大功率的压电体，而采用的研究方法主要有以下三种：①对现有材料的掺杂改性。通过对A或B位离子少量进行置换，以及加入少量掺杂物，引起晶格畸变和空间电荷的变化，改变载流子（主要是空穴和电子）浓度，从而改善PZT材料机电特性，例如在PMN-PZT中添加少量的MnO2、Ni2O3等（如(Pb0.76Ca0.24)[(Co0.5W0.5)Ti0.96]O3+1.5%MnO2）不但可以提高材料的机械品质因数和机电耦合系数，而且还可以降低材料的介电损耗，并降低烧结温度。②寻找新的多元系材料。例如湖北大学利用自主研究的四元系PMMN压电材料，可以使其压电变压器的输出功率高达65W[14]；清华大学李龙土院士等研制的低烧三元组分压电材料，可以使材料的烧结温度降低到约960℃[1]。③新工艺方法的研究。目前最常用的工艺是溶胶–凝胶法，它使高纯超细粉体的制备与利用成为可能，进而可以获得均匀、致密的压电陶瓷材料。但是溶胶–凝胶法的烧结温度高，这使其不能与集成工艺相兼容，阻碍了铁电集成技术的发展，基于此，浙江大学信电系开展了低温制备工艺的研究，拟采用磁控溅射技术解决这一技术难题。（2）压电变压器工作模式的改进及应用研究。一些学者对压电变压器的振动模式和匹配电路进行了优化设计和研究，例如目前倾向于采用高次型振动模式或能陷模式的压电变压器。日本NEC公司分析了普通的Rosen型压电变压器，发现不管是多层还是单层压电变压器，谐振时瓷片上C点是振动位移最大的点，而输出端导线焊接在输出端电极C上(图1)，这样会导致导线和电极之间的连接可靠性比较差，而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研发出三次多层Rosen型压电变压器[10~11]。这一新型的压电变压器具有三个节点，所有的引出导线都焊接在这三个节点处，这就克服了上述普通Rosen型压电变压器的缺点，其结构示意图如图2所示。另外，这一新型的结构也提供了更高的转换效率和可靠性，它的输出阻抗仅为图1所示普通Rosen型压电变压器的1/4，可以输出更高的功率[12]。香港理工大学的JHuiHu等人研制了一种结构非常简单、制作极其方便的低压用压电变压器[7]（如图3），这种环形变压器由高Q值的PZT环构成，沿厚度方向极化。其上表面是两个环形电极，分别用作输入和输出，下表面则整体作为一个电极。这种变压器的最大优点是：结构简单，制作方便，易大规模批量生产，成本低，适合于低压使用，并且如果把多个环形变压器并联可以获得更高的输出功率。其在电子系统的低压电源模块上有很不错的应用前景。同时，压电变压器的应用研究也在广泛地开展中，SanzM研究了采用频率跟随技术并优化设计了驱动电路[18]，NakashimaS等对在负载及外界温度变化时始终保持高的输出效率[19]作了优化研究，MutohA等人在脉冲整形电路中采用了压电变压器[22]，DiazJ等人进行了基于压电变压器的新型AC/DC转换器研究[20]，PrietoM.J.等人把压电变压器应用于DC/DC功率转换[21]，此外湖北大学把压电变压器应用于计算机高压电源上，提高了计算机显示器的可靠性，而且使高压包体积缩小到原来的三分之一，成本也大大降低[14]。（3）压电变压器物理模型的建立。多层压电变压器特性非常复杂，不仅与其本身性质有关，还与所连接的输入输出负载及周边电路有关，各国研究者提出了很多的物理模型，描述压电变压器的工作模式，如OliverJ.A.等人提出的IDmodeling方法描述了多层压电变压器的工作模式[15]，Hyun-WooJoo等人采用有限元和等效电路的方法分析了压电变压器的工作特性，包括其频谱特性、输出阻抗、升压比等的变化机理[16]，SyedE.M.等人提出的采用传输线理论方法计算压电变压器的动态特性[17]等。这些分析方法各有其优点所在，遗憾的是都不能很好地描述多层压电变压器的工作特性，在具体的研究中可以根据实际需要选取合适的分析方法。到目前为止还没有一种物理模型可以完全描述多层压电变压器的工作状态。三．压电变压器未来展望根据压电变压器对陶瓷材料的性能要求：机械强度高，能在大功率下工作、较高的压电常数d33、高的机电耦合系数k、低的介质损耗tgä值、高的机械品质因数Qm，今后压电变压器的发展依然从高性能压电材料、合适的几何结构设计、高效的匹配电路等方面考虑。由于功率较小和可靠性等问题，目前商品化的压电变压器产品不多，与传统的电磁变压器比较，压电变压器还有很大的发展空间。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。参考文献[1]白辰阳,桂治轮,李龙土.压电变压器的研究和开发进展[J].压电与声光,1998,20(3):175179.[2]张福学,孙慷.压电学（下册）[M].北京:国防工业出版社,1984.426449.[3]LinRayL,LeeFredC,BakerEricM,etal.Inductor-lesspiezoelectrictransformerelectronicballastforlinearfluorescentlamp[A].AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition2001(APEC2001)SixteenthAnnualIEEEVolume2[C].2001.664669.[4]ZaitsuT,OhnishiO,InoueT,etal.Piezoelectrictransformeroperatinginthicknessextensionalvibrationanditsapplicationtoswitchingconverter[A].PowerElectronicsSpecialistsConference1994(PESC1994)IEEE25thAnnualVolume1[C].1994.585589.[5]BakerEM,HuangW,ChenDY,etal.Radialmodepiezoelectrictransformerdesignforfluorescentlampballastapplications[A].PowerElectronicsSpecialistsConference2002(PESC2002)IEEE33rdAnnualVolume3[C].2002.12891294[6]傅应泉,黄富钊.特种压电陶瓷变压器的研制[J].电子科技大学学报,1995,24(5):490–494.[7]HuJunHui,LiHingLeung,ChanHelen,etal.Aring-sh