壓電陶瓷變壓器在開關電源的應用分析

摘要：介紹了壓電陶瓷變壓器的原理，等效電路及特點。在此基礎上，重點對應用壓電陶瓷變壓器的開關電源主電路，控制電路特點進行了分析，并簡單介紹了壓電陶瓷變壓器目前在不同產(chǎn)品的開關電源中的實際應用。
關鍵詞：開關電源；壓電陶瓷變壓器；諧振；匹配；頻率跟蹤

O 引言
隨著電子技術的發(fā)展，各種便攜式電子設備小型化、輕型化要求開關電源需滿足輕、小、薄等要求。而在開關電源中，傳統(tǒng)電磁式變壓器和電感的體積和重量是整個電源的主要部分。盡管目前出現(xiàn)了平面電磁變壓器，或能夠集成PCB板上的小型變壓器，在一定程度上能實現(xiàn)減小高度和尺寸的目的，但仍然難以滿足輕、小、薄的要求。陶瓷變壓器是基于電-機-電的工作機理，不存在繞組和磁芯，可以做的很薄，使電源輕、小、薄成為可能。與基于其電-磁-電能量轉(zhuǎn)換機理的電磁變壓器相比，擁有許多優(yōu)勢，如沒有繞組線圈，不會受到電磁干擾和產(chǎn)生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實現(xiàn)自動化，成本低，絕緣等級高，且容易獲得高的電壓傳輸比，非常適合小功率高壓輸出場合。

1 壓電陶瓷變壓器
1．1 基本工作原理
電磁式變壓器是初級繞組和次級繞組通過電磁耦合來傳遞能量，而壓電陶瓷變壓器是借助壓電陶瓷材料的“逆壓電效應”和。正壓電效應”實現(xiàn)。電能-機械能-電能”的轉(zhuǎn)換，完成能量傳遞的目的。在這個能量傳遞過程中，首先是施加在壓電陶瓷變壓器的交流電能在“逆壓電效應”的作用下轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷材料的振動機械能，然后又在“正壓電效應”作用下立即將這種機械能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看。“逆壓電效應”相當于一臺電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；“正壓電效應”相當于一臺發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

現(xiàn)以Rosen型中的一種壓電陶瓷變壓器來說明其工作原理，其結構如圖1(a)所示。整個壓電陶瓷變壓器分為兩部分，左半部分為輸入端，其上下面有燒滲的陰極，沿厚度方向極化；右半部分為輸出端，沿長度方向極化，右墻面有燒滲的陰極。在輸入端施加交變電壓時，如果交變電壓的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同或接近，則壓電陶瓷變壓器內(nèi)部形成駐波，產(chǎn)生大幅度的應力和位移分布，如圖l(b)所示；在壓電陶瓷變壓器的輸出部分出現(xiàn)最大的應變，該應變則經(jīng)由“正壓電效應”轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出。
1．2 等效電路
壓電陶瓷變壓器有縱向振動模式(Rosen型)、厚度振動模式、徑向振動模式和彎曲振動模式等幾種類型。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動模式(Rosen型)為代表，是目前應用最廣的壓電變壓器，而降壓輸出場合常用的是厚度振動模式壓電陶瓷變壓器。
縱向振動模式壓電變壓器結構圖如圖l(a)所示，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動部分；銀電極涂在右端，沿長度方向極化的右半部分稱為發(fā)電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時需要的激勵信號特性和與之相匹配的電路，用相應的電學元件等效其機械參數(shù)，其等效電路如圖2(a)所示，其中Cdl為壓電陶瓷變壓器輸入端的靜電容，Cd2為壓電陶瓷變壓器輸出端的靜電容，R、L、C分別為壓電陶瓷變壓器的動態(tài)電阻、動態(tài)電感和動態(tài)電容。圖2(b)為壓電陶瓷變壓器的頻率特性，f0為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。