压电陶瓷变压器的工作模式和结构研究进展

压电陶瓷变压器的工作模式和结构研究进展作者：吴静

来源：《教育教学论坛》2017年第48期

摘要：本文概述了压电陶瓷变压器的各种振动模式。着重介绍了每种振动模式压电变压器的基本结构和新结构的研究进展，并对压电陶瓷变压器未来的发展方向作了展望。

关键词：压电陶瓷变压器；振动模式；结构；研究进展

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）48-0060-04

压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的压电效应来实现机电能量转换的第三代固体电子变压器。结构上基本是由相互耦合的两个机械部分以及相互绝缘的输入和输出电路部分的两个压电陶瓷换能器组成。传统的铁芯线绕式电磁变压器是通过电磁效应实现初级与次级之间的耦合，所以相比传统的电磁变压器，压电陶瓷变压器具有体积小、重量轻、使用时不怕击穿、变压器本身不怕燃烧、耐高温，转换效率高、抗电磁干扰等优点，而且结构简单，能批量生产，可以与其他器件集成实现设备的小型化。已被应用在警用电击器高压电源、液晶显示背景光源、静电复印机高压电源、负离子发生器、小功率激光管电源等场合以及AC-DC转换器、DC-DC转换器等领域。

按照不同的特征可以对压电陶瓷变压器进行分类，一般根据压电陶瓷变压器工作时的机械振动模式分为长度伸缩振动型压电陶瓷变压器、厚度伸缩振动型压电陶瓷变压器、径向振动型压电陶瓷变压器、剪切振动型压电陶瓷变压器、弯曲振动型压电陶瓷变压器以及上述几种振动模式组合而成的复合振动模式压电陶瓷变压器[1]。多年来，研究工作者基于这些工作模式设计研发出多种结构。本文综述了这几种振动模式压电变压器的基本结构及其新结构的研究进展。

一、长度伸缩振动型压电陶瓷变压器

长度伸缩振动型压电陶瓷变压器（又称为Rosen型压电陶瓷变压器）的典型结构几何示意图如图1所示。整个陶瓷片分成输入和输出部分，输入部分上下面被覆金属电极，按照厚度方向极化；输出部分端面被覆金属电极，按照长度方向极化。

Rosen型压电陶瓷变压器的输入端是驱动部分，输出端是发电部分。当输入端加上交变电压时，驱动部分的压电陶瓷片由于逆压电效应而产生沿长度方向伸缩振动，将输入的电能转化成机械能；当激励电压的频率接近振子共振频率时，位移振幅最大，驱动部分的振动将传输到发电部分，在发电部分由于正压电效应把机械能转化成电能而输出电压。因为发电部分陶瓷片长度远远大于驱动部分陶瓷片的厚度，根据阻抗和尺寸的关系可以得到输出阻抗远远大于输入

阻抗，所以输出电压远远大于输入电压。输出交变电压的大小取决于压电变压器各部分的几何尺寸、振动模式以及变压器的材料特性[2]。台湾专家基于上述Rosen型压电陶瓷变压器基本结构，设计了改进的几种长度伸缩振动模式有得变压器，并从理论上计算和模拟了各种结构的性能[3]。

压电陶瓷变压器工作在谐振状态下，根据传统的Rosen型压电陶瓷变压器在半波谐振态时的质点位移和应力分布可以知道该类型变压器的输出电极正好位于其振动的位移波幅处，显然对变压器的振动和频率特性影响很大。研究工作者针对图1所示Rosen型压电陶瓷变压器中输出电极影响变压器特性的问题，提出全波谐振模式，并且用夹子（内衬橡胶皮）夹持在波幅处，输出端用磷铜丝绕成弹簧状，这样无疑增加了器件制作的难度，为此，日立公司等设计三阶振动模式的Rosen型变压器[2]。单层压电陶瓷变压器的功率很小，日本专家采用开发出大功率压电陶瓷材料设计了一种大功率多层压电陶瓷变压器，实现了压电陶瓷变压器的小型化及高功率输出[2]。韩国专家在基础上开发出多层到单层的三阶Rosen型压电陶瓷变压器[4]。为了得到高电压增益和高效率，出现了楔形和环状Rosen型压电陶瓷变压器[5，6]。

二、厚度伸缩振动模式压电陶瓷变压器

由Rosen型压电陶瓷变压器的结构可知该类型变压器的输入阻抗比较高，工作频率比较低，不适合于作为功率转换电源变压器。为了克服这个缺点，设计出如图2所示的新型叠层压电陶瓷变压器。该类型变压器是以厚度扩张振动模式工作。因为压电陶瓷的极化方向和工作时的振动方向是沿着其厚度方向，所以该压电陶瓷变压器的输入和输出部分都是纵向振动模式。目前该结构的压电陶瓷变压器成功应用于包括整流器及适配器等领域[2]。

在上述典型结构基础上，利用压电陶瓷的厚度伸缩振动模式，Zaitsu T等人设计出一种典型的长度方向叠层的变压器，已经用于电脑笔记本的AC适配器中。但在制备工艺上有难度[7]。是为了抑制弯曲振动引起的寄生振荡。Yamamoto M等人设计出一种方形厚度扩张振动的变压器，该变压器结构紧凑，但散热面积不大[8]。由于PbTiO3（PT）材料压电性能各向异性大，能很好地抑制寄生振荡，厚度伸缩振动模式压电陶瓷变压器多采用改性PT材料。Sanchez A M等人却采用Pb（Ti，Zr）O3（PZT）材料，设计成圆形且中间穿孔的结构，不仅很好地抑制了寄生振荡，而且利用了PZT相对PT更为优异的压电性能，突破了以前叠层厚度振动多采用性能不佳的PbTiO3材料的传统[9]。

三、径向伸缩振动模式压电陶瓷变压器

径向振动模式压电陶瓷变压器的典型结构几何示意图如图3所示。由两片厚度方向交替极化的压电陶瓷圆片组成，径向模式压电陶瓷变压器的振动方向与厚度模式压电变压器不同，振动方向沿着圆片的半径方向。同上述长度和厚度方向伸缩振动工作模式变压器的电压变换进行比较可知该类型变压器电压变换范围介于它们之间。径向振动压电陶瓷变压器的应用范围包括整流器、适配器以及变流器等[2]。

近十几年，研究者又设计出径向多层压电陶瓷变压器[10]，其具有共振频率低、效率高、输出功能大等特点。而且它的共振频率更纯不像其他类型的压电变压器受各方向机械振动尺寸的不均匀影响而有杂波，有望在低频或工频领域获得广泛应用。但是径向振动型压电变压器的电压变比不及Rosen型因此较难以应用到高压领域。Park J H等人设计出叠层结构的径向型盘式变压器，其输入部分是一个单层压电陶瓷片，而输出部分由叠在一起的多层压电陶瓷片组成，主要用于降压变压器或者变流器[11]。K.Sakurai等人设计出板杆连接径向振动模式压电陶瓷变压器[12]，该结构变压器一次径向振动模式具有相对高的机电耦合系数，很容易得到低的输入阻抗。由于两个盘是在平行方向上去驱动的，利于有效减少输入阻抗。Li H L等人[13]设计出高阶环形径向扩展振动模式变压器，相对于传统压电陶瓷变压器，该环形变压器采用单一极化过程和合适的电极模式，把其中的一个电极分成同心圆形区域。工作模式是三阶扩展振动模式，该变压器的最高效率为92.3%，功率密度为14.3W/cm3。Guo，M S等人[14]设计出多输出圆盘径向振动模式压电陶瓷变压器，该变压器的结构比较简单和稳定。输入和输出被绝缘部分隔离开。输入和输出都是沿厚度方向极化，可以在极化过程中减少内部裂纹。

四、剪切振动模式压电陶瓷变压器

Jinlong Du等人[15]报道一种厚度剪切振动模式压电陶瓷变压器，该压电变压器是用具有高K15机械品质因数的PZT材料制成。沿宽度方向极化。输入和输出部分的电极在陶瓷的上下表面，之间有很窄的隔离带。其振动模式和支撑方式分别见图4。该变压器当温度低于20℃时，效率达到90%。

五、弯曲振动模式压电陶瓷变压器

弯曲振动模式压电陶瓷变压器典型结构是条形弯曲振动压电变压器，如图5所示[16]，其结构是输入部分为长条伸缩振动的两个沿厚度交替极化的压电振子，用导电胶粘合起来，使两片的极化强度的方向和激励电场的方向相反。这样当一片产生伸长形变时，另一片则产生缩短形变，因为两片式紧密粘合的，所以叠片就做纵向弯曲振动。输出部分也是由两片压电片构成的，各自与输入部分相连。这样，当输入部分在电压的激励下振动时，输出部分也随之产生振动，进而产生输出电压。条形弯曲振动压电变压器是一种低频升压变压器，可用于电光源及信号源中。

黄以华等人还报道了圆盘弯曲振动模式压电陶瓷变压器这种变压器直径不到10mm，体积小、重量轻，可用于微型DC/DC或AC/DC转换器中[17]。在此基础上，Koc，B等人设计出双层弯曲振动模式压电陶瓷变压器[18]，文献[1]报道了一种螺旋式弯曲振动模式压电陶瓷变压器[1]，这些结构的变压器各有优缺点，实用于不同的应用领域。

六、复合振动模式压电陶瓷变压器