压电陶瓷变压器阅读：1308

    与其它陶瓷元器件一样，日本在压电陶瓷变压器方面拥有非常雄厚的技术实力，NEC、Tamura、日本金属、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田（Hodan）、村田制作所（Murata）、Panasonic、TOTO、京瓷（Kyocera）、东京工业大学、山形大学等公司和研究机构都卷入到压电陶瓷变压器的研发。美国宾州州立大学智能材料实验室、德州仪器（TI）、摩托罗拉、德国西门子、荷兰飞利浦、法国阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所、韩国Tronix公司和DFT公司、中国台湾地区的先宁电子和新巨公司等多家公司也都从事压电陶瓷变压器材料与器件的研发。
    中国大陆从事压电陶瓷变压器研发的单位有西安康鸿、深圳富康、中国电子科技集团公司第26研究所、北京汉之源、北京海特创源、中国科学院上海硅酸盐研究所等。
    未来几年压电陶瓷变压器的发展趋势是其具有更高的升压比、更小的体积和更低的驱动电压，要求像阻容元件那样系列化、规范化、片式小型化。为此，各大研发机构和生产厂商都在围绕以下三个方面开展工作：
    1．继续开发大功率压电陶瓷材料
    压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应，并以其谐振频率激发出电压，因此，要求压电陶瓷材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因素；同时，要求介质损耗tgδ要很低，以避免工作时产生损耗发热，为了进一步提高升压比，应开发振动速度更高的压电陶瓷材料。另外，为了制作小功率（<1W）的微型变压器，应开发压电膜变压器。
    2．研究大功率的结构形式
    目前，使用的压电陶瓷变压器多数为单片形或多层长条形的，这种结构的器件制作工艺简单，升压比较高，但负载能力差，功率小，功率密度<14W/cm3，一般用于高电压、小电流、高阻抗负载。要适应大功率的应用，必须开发圆片形、方片形或圆环多层独石结构的压电陶瓷变压器，这一类的器件制备工艺相对复杂些，但功率密度和承载能力要比长条形器件的大，现有报道，这类结构的压电陶瓷变压器功率密度可达40W/cm3，负载100KΩ的有效升压比可达80倍，而长条单片型负载100KΩ的有效升压比<10倍，叠层形负载100KΩ的有效升压比<50倍。
    3．驱动、控制电路集成化
    压电陶瓷变压器能否充分发挥其高转换效率，工作时功率的大小，很大程度上取决于驱动电路和反馈控制电路的优劣。有必要研究开发频率的跟踪范围宽，能可靠控制压电陶瓷变压器始终在其谐振点工作，体积小、成本低的集成电路，能与压电陶瓷变压器配套装配成各种规格的电源模块，供应市场，便于压电陶瓷变压器的推广应用。

    目前， 压电陶瓷变压器已在一系列领域， 包括从家用电器到高科技军工产品中得到广泛应用。如安全系统中的电警棍、 防盗网、 提款箱、 运钞车和保险柜； 电源供应系统中的CRT和EL映像管、 冷阴极管、 霓虹灯管、 激光或X光管、 高压静电喷涂、 高压植绒和雷达显示管； 点火系统中的高压脉冲点火等；以及影印机、 激光打印机、 传真机、 静电发生器、 医疗器材、 空气清新机、 臭氧消毒柜、 军事和航天设备等。

    （1）输出功率——负载阻抗特性： 当输入电压为275V时， 负载电阻Rl=9MΩ， 则输出功率值为65W,。由于压电变压器输入阻抗、 升压比均随负载阻抗变化而变化， 当输入电压不同时， 输出功率与负载阻抗变化的关系不完全相同。
    （2） 转换效率——负载特性： 由于输出功率是在负载电阻上测得， 总的功率损耗包括了压电变压器和整流电路的损耗， 因此陶瓷变压器实际转换效率应大于曲线表示的转换效率。
    （3） 波节温度——负载特性： 由于压电陶瓷变压器的波节处应力大， 因此温度也。经多次测试得知， 压电陶瓷变压器输出功率为40W时， 温度为34℃； 输出功率为50W时， 温度点的温度为47℃， 变压器其它部分温度更低。
    （4） 谐振频率——环境温度特性： 一般情况下，压电材料的谐振频率因本身发热和环境温度变化而发生漂移， 因此， 压电变压器谐振频率的温度特性是确定压电变压器性能好坏的重要因素。特别当压电陶瓷变压器应用在较大输出功率时， 谐振频率温度特性的研究就更为重要。

    较之传统绕线式变压器， 压电陶瓷变压器具有以下优点：
    1、 结构简单、 体积小、 功率大、 重量轻， 适应电子元器件薄型化的发展趋势；
    2、 无需磁芯和铜线， 可节省金属材料；
    3、 不会因短路而被烧毁， 不会被高压击穿， 不怕受潮， 不怕电磁干扰， 无噪声。能适应在潮湿、 盐雾、 冲击、 振动等各种恶劣环境下正常工作；
    4、 转换率高、 升压比高、 安全性能超群；
    5、 应用范围广。
    尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点，但也存在一些不足，例如：
    a．压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W（如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上，谐振频率为140KHz，在20W时的转换效率为97%）乃至30~40W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。
    b．只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时，才有的输出电压，如果偏离谐振频率，电压下降的幅度较大。因此，压电陶瓷变压器与传统绕线式变压器不同，其工作频率范围比较窄。
    c．压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂，这会使系统成本增加，可靠性变差。
    d．对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波模谐振和全波模谐振两种安装状态，如图7所示。在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零处，即半波模谐振的支撑点在陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处，否则会影响升压比和转换效率。

    压电陶瓷变压器采用压电材料， 利用机电转换特性， 配合元件的振动部分、 发电部分电机， 进行极化设计， 由输入电压使压电片处于共振状态， 再由正压电效应， 将高应变转化成电压输出， 从而达到变压的效果。
    压电陶瓷变压器基于正逆压电效应， 在机电能量二次转换过程中， 通过体内阻抗变换升压。当压电变压器输入端 （驱动部分） 加入一定频率的交变电压， 由于逆压电效应， 使压电变压器产生沿长度方向的伸缩振动， 输入端的电能转换为机械能。在发电部分， 由于存在纵向振动， 通过正压电效应， 机械能转换为电能， 使输出端有高电压输出。
    因压电陶瓷变压器的反射阻抗随负载阻抗的减小而增加， 这个特性在高压应用时极为重要。当负载短路或高压放电时， 陶瓷变压器的输入阻抗迅速增加， 保证变压器及外围电路不至烧毁。因此， 使用压电陶瓷变压器， 电源无需另设短路保护电路。