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-電能量轉換機理的電磁變壓器相比，擁有許多優勢，如沒有繞組線圈，不會受到電磁干擾和產生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實現自動化，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。電能-機械能-電能”的轉換，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換為交流電能輸出。從能量轉換的角度來看。“逆壓電效應”相當于一臺電動機，將電能轉換為機械能；“正壓電效應”相當于一臺發電機，將機械能轉換為電能。

現以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部形成駐波，產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最大的應變，該應變則經由“正壓電效應”轉換為交變電壓輸出。
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電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優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，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電阻、動態電感和動態電容。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。