电力电子元件知识讲座(六)

压电陶瓷变压器是用铁电陶瓷材料经烧结、高压极化等工艺制造而成的一种新型电子变压器，其变压原理和结构完全不同于传统的电磁式变压器。

关于压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代。美国G．E．Motorola Zenith公司的Rosen在1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本工作原理，并成功地制备出长条形单片压电陶瓷变压器。但由于这种单片变压器使用的是压电性能较差的BaTiO3陶瓷材料，加上工艺不完善，升压比很低，成本又很高，故当时没有引起人们的重视。后来，随着PZT系、三元系和四元系等压电陶瓷材料的陆续出现，在20世纪70年代末和80年代初，压电陶瓷变压器开始进入实用化。从20世纪90年代末期开始，压电陶瓷变压器得到了蓬勃发展和比较广泛的应用。

1 压电陶瓷变压器的基本结构及工作原理

压电蜂鸣器和压电点火棒是人们较熟悉的两种压电陶瓷产品。压电蜂鸣器是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的，给其加上电信号，压电陶瓷将产生振动而发出声音；压电点火棒是利用压电陶瓷的正压电效应工作的，给其加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。这两种器件的能量转换形式是电能与机械能之间的单向转换，而压电陶瓷变压器则是在同一压电陶瓷上同时利用正和逆的压电效应来进行工作的，即经过电能机械能和机械能电能的两次能量变换。压电陶瓷变压器输入端和输出端的振动模式是不同的，因此压电陶瓷变压器实际上是一种特殊的压电陶瓷换能振子。

压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构，其中最简单和最为常用的是Rosen型单层长条形结构，如图1所示。

由该图可知，压电陶瓷变压器由两部分组成，其中左半部分的上下两面都有烧渗的银电极，沿厚度(即从上到下)方向极化，作为输入端，这部分称为驱动部分；右半部分的端头烧渗了银电极，沿长度方向(即从左到右)极化，作为输出端，这部分称为发电部分。当交变电压Uin加到压电陶瓷变压器的输入端时，只要交变电压频率与压电陶瓷的谐振频率一致，就会通过逆压电效应使变压器产生沿长度方向上的伸缩振动，使输入的电能转化为机械能；而发电部分通过正压电效应使机械能转换为电能，产生电压输出。实际上，压电陶瓷的左半部分相当于蜂鸣器，右半部分则类似于点火棒。图1所示的压电变压器的长度大于厚度，如果输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，则为升压型变压器。这种变压器在几伏或几十伏的输入电压下，可以产生数千伏的输出。在空载状态时，压电变压器的开路升压比N为

当材料一定时，Qm、k31和k33均为常数，压电变压器的变压比N仅由L和t之比决定。由于QmL/t可以很大，因此可以制作升压比足够大的压电陶瓷变压器。

利用与图1所示的Rosen变压器相似的结构，可以制备如图2所示的压电陶瓷降压变压器。这种降压变压器是将图1中所示的发电部分作为驱动部分，将驱动部分作为发电部分。通过这种变换，发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出电压降低，电流增加。

压电陶瓷变压器除了利用横向振动模式的器件结构形式外，还可利用径向振动、厚度振动、弯曲振动等振动模式来设计和制造其他形式的压电变压器。利用厚度振动模式和径向振动模式，同样可以设计降压或自耦降压压电陶瓷变压器。

压电陶瓷材料是一种脆性材料。为保障压电陶瓷变压器的机械强度，陶瓷片不能做得太长或太薄，因此限制了升压比的提高。为了提高升压比，人们将多层片式电容器( MLCC)的成熟工艺移植到压电陶瓷变压器的制备中，于是在20世纪90年代末，多层独石型和片式压电陶瓷变压器陆续被推向市场。

图3所示为多层片式陶瓷结构示意。这种叠层结构中的相邻两层陶瓷在厚度方向上的极化方向是相反的，各内电极间采用叉指方式交替地连接。在多层压电陶瓷的总厚度与单片内电极 压电陶瓷的厚度相同的情况下，与单片压电陶瓷相比，N层压电陶瓷的等效压电系数(d33)则提高3N倍，电流量增加N2倍，电压将下降N倍（因陶瓷承受的电场相同）。将这种陶 瓷结构用于压电陶瓷变压器的驱动和发电部分，可以通过陶瓷层数来改变变压器的输入和输 出阻抗，从而改变变压比和电流比。

2 压电陶瓷变压器的特性

压电陶瓷变压器的电特性参数有输出功率（功率密度通常为15～20W/cm3）、输入／输 出电压、工作频率、负载阻抗、功率转换效率、器件尺寸和工作温度（通常低于60℃）等。

压电陶瓷变压器具有以下一般特性：

(1)压电陶瓷变压器输出电压的高低与频率直接相关，其输出电压只有在谐振频率附近（fr±lkHz内）才达到最大值；若偏离谐振频率，电压下降的幅度就很大。这是压电陶瓷变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在较宽的频率范围内工作。压电陶瓷变压器的、谐振频率会随温度的变化而变化，当环境温度发生变化或变压器工作时因自身机械和介质损耗而发热时，都将引起谐振频率的漂移。当用固定信号激励时，谐振频率的漂移会引起输入电压的变化，从而影响高压电源的稳定工作。因此，在应用中，相应的驱动电路必须具有频率自反馈跟踪能力，方能使变压器始终处于最佳工作状态。

(2)压电陶瓷变压器在输入电压一定时，输出电压随负载阻抗的减小而降低。这是由于压电陶瓷变压器的输入阻抗较大（约十几兆欧至数万兆欧）而引起的。因此，在使用压电陶瓷变压器升压的高压电源中，当负载变化后，变压器的输出电压变化较大，即它们的压电调整率差，这时必须在电路中采取补偿措施，以保证电源具有稳定的输出电压。

(3) 一般的线绕变压器的输入阻抗与负载阻抗是成正比的，而压电陶瓷变压器则相反，当减小其负载阻抗时，输入阻抗反而增大。这种输入阻抗与负载阻抗的特殊关系，在压电陶瓷变压器作为高压电源时极为重要。因为当负载短路时，压电陶瓷变压器会自动断电而不被烧毁，这是压电陶瓷变压器的一个优良特点。

(4)压电陶瓷变压器的安装固定与配置对正确使用很重要。压电陶瓷变压器有半波模和全波模两种安装状态，如图4所示。

在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零的地方，否则会严重影响升压比和转换效 率。半波模谐振的支撑点应在压电陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点应在陶瓷片的1/4处。

3 压电陶瓷变压器的特点

压电陶瓷变压器与传统绕线型变压器比较，具有以下特点和优点：

(1)体积小，质量轻，器件几何形状呈超薄(厚度小于4mm)扁平结构，适宜片式化。同时，可根据实际需要制成长度和宽度振动模式的长方体压电变压器及径向振动的圆柱体压电变压器等。

(2)采用阻燃性压电陶瓷制成，不需要铜漆包线和磁心，没有磁饱和现象，不怕潮湿，不怕短路烧毁，安全性好。

(3)工作时是以高频振动的压电方式来实现能量的转换和传输的，不会产生也不受来自外界的电磁干扰。

(4)能量转换效率高，一般可达90％以上，最高可达98％。

(5)输出标准正弦波电压，尤其适用于驱动快速启动的冷阴极荧光灯(CCFL)。

(6)对于低阻负载具有准恒流输出特性，不会产生反峰电压，能对功率放大器起保护作用。

压电陶瓷变压器尽管有许多优点，但也存在一些不足之处，具体表现为：

(1)输出功率较小，单层器件输出功率一般仅为1～2W，多层器件输出功率可达30W。目前成熟产品的输出功率在10W之内，仅适用于小功率和高压小电流领域。

(2)在应用中的配套电路比较复杂，对使用成本和系统可靠性都造成一定影响。

(3)压电陶瓷变压器有一定的谐振频率，当工作频率低于谐振频率时，器件呈电容特性；高于谐振频率时，器件呈电感特性；只有在谐振频率附近时，器件才表现为电阻特性。因此，陶瓷变压器的工作频率受谐振频率的限制，工作带宽较窄，而电磁式变压器不受带宽限制，工作频率范围相对较宽。

4 压电陶瓷变压器的应用及其驱动电路

(1)应用领域

压电陶瓷变压器适用于高电压、小电流和较低功率的电子仪器和设备中，符合电子产品小型化、轻量化、薄型化、高效化及高可靠等方面的要求。全球信息产业日新月异，对压电陶瓷变压器提出了巨大的市场需求。

目前，压电陶瓷变压器主要用于电压升压和降压两个方面。压电陶瓷升压变压器的主要应用领域有冷阴极荧光灯驱动电路、液晶显示器、小功率激光管、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中；降压型压电陶瓷变压器主要用于各种小型AC/DC和DC/DC模块电源、手提充电器和手机、摄像机等便携式产品的AC/DC适配器。从目前的情况看，压电陶瓷降压变压器的发展和应用滞后于压电陶瓷升压变压器。

(2)基本驱动电路

在20世纪90年代中后期之前，人们利用当时现有的资源，大多采用开关电源通用PWM控制器IC再附加电路来驱动压电陶瓷变压器。后来随着压电陶瓷变压器的迅速发展和日益广泛的应用，使世界各大半导体公司看到了商机．纷纷开发并推出了压电陶瓷变压器专用驱动IC。这些IC具有较宽的输入电压范围，能自动完成频率扫描和跟踪，以使压电变压器工作在准谐振状态。此类驱动IC有很多，如HLMM936、UCC3976、UCC3977和DIT8545等。

压电陶瓷变压器的驱动电路有单开关单端驱动方式、关推挽和半桥驱动方式及四开关全桥驱动方式等几种，其中单开关电路拓扑仅适用于驱动小功率压电陶瓷变压器，电路结构比较简单。

1)高压电源用单端驱动电路。图5所示为高压电源电路。该电路是一种DC/DC升压变换器拓扑，压电陶瓷变压器TC用作升压转换器件。控制器IC的振荡器频率能跟踪TC的谐振频率，IC的输出PWM信号驱动互补配置的晶体管VT1和VT2。当IC输出高电平时，VT1导通，UCC经限流电阻R和VT1对MOSFET (VT3)的栅极电容Cgs充电。当VT3、栅极电压达到开启电平时，VT3导通，电流通过电感器L使其储存能量。当IC输出低电平时，VT1截止，VT2导通，VT3截止。在VT3截止时，在L中产生反电势加至TC的输入端，脉冲幅度为UCC的2倍左右。TC输出端上产生的高频正弦波电压经VD1、VD2和电容器C整流滤波，输出一个DC高压(约3000V)。Ra、Rb为取样电阻分压器，在Rb上的采样信号反馈到IC，使高压输出稳定在设定值上。TC为KH3005型压电陶瓷变压器，尺寸为30mm×5mm×2.6mm，额定输出功率为3.5W，谐振频率为55kHz，输入电容为180pF，输出电容为26pF。

表1列出了MPT系列压电陶瓷变压器的尺寸与参数，供选用时参考。

2)基于DIT8545的单开关CCFL驱动电路。一种基于控制器DIT8545的小屏幕LCD背光照明用冷阴极荧光灯(CCFL)单端单开关驱动电路如图6所示。该驱动电路是一个输入DC电压为3～13.5V的DC-AC变换器电路，压电陶瓷变压器TC(采用PZT材料)输出视CCFL规格而定。在一般情况下，CCFL工作电压为200～600V，工作电流为2～8mA。

为使控制IC的输出频率跟踪压电陶瓷变压器的谐振频率，IC的振荡器频率可通过②脚上的电阻R1和①脚上的电容C2来编程。在R1=13.8kΩ、C2=470pF时，开关频率为135kHz。压敏电阻RV1、R8、VD2、C7、R9组成CCFL开路检测电路，R7、VD1、C6、R6和R3组成CCFL电流检测电路。压电陶瓷变压器TC能为CCFL提供正弦波电压，控制器IC可为CCFL提供模拟调光功能。