压电变压器应用研究展
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摘要:压电变压器是一种基于压电效应的固体电子器件,它利用压电陶瓷材料的正压电效应和逆压电效应,完成机械能与电能之间的相互转换,实现电压的高低变换。本文在介绍其工作原理和种类的基础之上,对现在变压器的应用做了一个简要的综述,并对其发展趋势进行展望。
关键词:压电变压器 原理 应用 展望
各种便携式电子设备小型化、轻型化的要求使得电磁变压器趋于落后。压电变压器(PT)作为一种新型的变压器, 因其体积小、效率高等特点,在某些应用领域成为电磁变压器的理想替代元件。然而, 由于受材料制造技术的限制, 自1956 年首次提出压电变压器概念以来, 其研究和发展一直比较缓慢。直到近几年新的压电材料在耐压强度和压电系数方面取得巨大的进展, 有力地推动了压电变压器的制造和应用, 因此受到越来越多的重视。
1 压电变压器的工作原理
一些晶体(如石英、锂、铌酸盐和锆钛酸盐等)在机械力的作用下会激起晶体材料表面荷电,这种现象被称为晶体的正压电效应, 此类晶体被称为压电体。实验证明凡是具有正压电效应的压电体, 也一定具有逆压电效应, 即当压电体受到外电场作用时压电体将产生形变。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。压电效应是外力或者外电场引起压电晶体内部电偶极矩发生变化而形成的。由于晶体内各晶胞的自发极化取向可能彼此不相同,因此在压电元件的制造过程中需要根据材料的要求对压电晶体加相应的高压直流电场进行极化, 使晶体内部的自发极化做定向排列, 极化后的压电体将更容易产生压电效应。压电变压器正是利用极化后的压电体的压电效应来实现电压输出的。在压电变压器的输入部分用一个正弦波电压信号驱动, 通过逆压电效应使输入部分产生振动, 振动波通过输入和输出部分的机械结构耦合到输出部分, 输出部分再通过正压电效应产生电荷, 实现压电体的电能-机械能-电能的机电能量的二次变换, 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
2 种类及其特点
现有的压电变压器根据输入和输出部分压电陶瓷的工作方式大致可以分成三种类型:长条形结构的Rosen 型、厚度振动模式型、辐射振动模式型。其基本结构如图1所示。图中,P为极化方向,T为应力方向。
图1 三种压电变压器的基本结构图
Rosen 型PT 最为常用, 它结构简单, 制造容易, 并且具有较高的升压比。整个压电变压器可以分成两部分: 左半部分的上下两面有烧渗的银电极, 沿厚度方向极化, 作为输入端; 右半部分的右端有烧渗的银电极, 沿长度方向极化, 作为输出端, 如图1a 所示。由于其长度大于厚度, 故输入端为低阻抗, 输出端为高阻抗, 用来达到升压的目的。一般输入几伏到几十伏的交流电压, 就可以获得几千伏以上的高压输出。因而Rosen型压电变压器最适合的应用之一就是驱动高电压高阻抗的冷阴极荧光灯(广泛应用于笔记本电脑LCD显示)。厚度振动模式压电变压器的输入部分和输出部分都是由纵向式压电陶瓷组成的。厚度振动模式压电变压器是低压变压器, 由于其内部电压增益很低, 其工作效率最优时最佳匹配负载阻抗大约为10Ω左右, 主要应用于低功率的变换器和适配器中。
辐射振动模式压电变压器的输入部分和输出部分都是由工作于横向模式压电陶瓷组成的。效率最高时的最佳匹配输出负载阻抗大约为1kΩ左右,介于Rosen 型和厚度振动型的最佳负载阻抗值之间,主要应用于镇流器、适配器和变换器中。
3 压电变压器的应用
3.1CCFL驱动器
压电变压器最典型的应用之一就是驱动CCFL(cold cathode fluorescent lamp,冷阴极管。下同),因为CCFL的工作特性非常适合于压电变压器的特性,即输出阻抗高、输出电流小、输出电压随阻抗变化大等。而CCFL在启动时需要1000V左右的高压,平稳工作状态下需400V~500V左右的电压,其阻抗较启动时下降数十千欧。此外,CCFL对电流的要求不高,一般为5mA~6mA。CCFL 的这些特性恰好与压电变压器的上述特性相符。在实际应用压电变压器时,必须解决以下几个关键技术问题:(1)选择合适的材料;(2)振动模式的选择;(3)器件的安装;(4)驱动与控制电路的设计。
3.2DC-DC( 直流直流) 变换器
当今的电子设备小型化、轻型化的需求日益突出,因此为其提供直流电压的直流变换器也必须做到小型化和轻型化。另外从低能耗的角度来讲,其基本的工作过程为:开关S1和S2以非常短暂的切换时间(称为dead time) 轮流导通。在此时间内,电磁电流iLr通过Lr向S1和S2的并联输出电容充电,因此ZVS(零电压切换) 技术得以实现。通过S1和S2的零电压切换,压电变压器的输入端会产生准方波波形Vds1,由于压电变压器良好的谐振特性,其输出端产生正弦波V2,V2经整流后成为直流电压供给负载。图中的压电变压器仅重6.5g ,远远轻于传统的电磁式变压器,而且能量密度、效率可以大大提高。
4 结语
压电变压器具有高功率密度、高电流隔离、低电磁干扰等优点,在某些应用领域可以替代电磁变压器。充分利用其优点,不仅可以实现变换器的微型化,还可以解决功率电子学中存在的电磁干扰(EMI)问题。此外,由于压电变压器的生产比电磁变压器简单,并可以对PT元件进行标准化和微型化,这样就更容易实现低成本的大批量生产。尽管目前压电变压器也存在着一些缺点,但随着理论模型及其应用设计与研究的日趋成熟,这些缺点迟早会被克服,压电变压器的应用会越来越广泛。