压电变压器

压电陶瓷变压器研究
现状综述
学院：材料学院
专业：材料学无机硕
课程: 压电陶瓷
教师: 孙清池教授
学号：2012208052
姓名：孟雪原
压电陶瓷变压器研究现状综述
摘要：概述了压电陶瓷变压器的工作原理、应用、性能参数、等效电路，以及目前国内外的研究现状，并指出了存在的问题与今后的发展方向。

在分类上做了细致的阐述。

关键词：压电变压器；性能参数；等效电路
Abstract: The principle, application, performance parameters and equivalent circuit of piezoelectric ceramic transformer are briefly introduced, as well as an overview of current research status at home and abroad, and points out the existing problems and the future development. Focus on exposition the classification of piezoelectric ceramic transformer
Keywords: piezoelectric transformer, performance parameter, equivalent circuit
1引言
自发现压电陶瓷以来，其研究与应用就一直方兴未艾，目前已经被广泛应用于驱动器、传感器以及变压器等的制作。

压电陶瓷变压器是用压电陶瓷材料经烧结，高压极化等工艺制造而成的新型电子变压器。

它从50年代后期开始研制，并于70年代发展起来。

与传统的铁芯线绕电磁变压器相比，具有以下优势：（1）体积小、重量轻；（2）负载短路保护；（3）无电磁干扰及高频下具有更高的能量密度；（4）结构简单，制作工艺简便，易批量生产；（5）适用于电子集成领域[1]。

随着研究的逐渐深入，利用压电材料的各种振动模式而设计出的各种压电陶瓷变压器应用到各个领域。

近些年来，许多外形简单但电极设计精巧的压电陶瓷变压器也逐渐开始发展。

随着复合组分体系的功能陶瓷材料的研究开发，电子陶瓷材料与半导体集成电路工艺相结合成为压电陶瓷变压器的又一个发展趋势。

随之而来的是如何确保微型功能化的问题。

2主要内容
2.1工作原理
压电变压器利用极化后的压电体的压电效应来实现电压输出。

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-电能的机电能量二次变换[2]。

和普通电磁变压器一样，压电陶瓷变压器也具有电压变换、阻抗变换和电流变换等特性。

2.2种类性能参数及应用
压电变压器是一种工作在音频或超音频范围内的声学电子器件,在结构、原理和所用的材料上与传统的电磁式变压器完全不同。

按压电陶瓷的工作方式大致可以分成三种类型: 长条形结构型、厚度振动模式型、辐射振动模式型[3]。

其基本结构如图 1 所示。

图中，P 为极化方向，T 为应力方向。

(a) 长条形结构的Rosen型变压器
(b) 厚度振动模式型变压器
(c)辐射振动模式型变压器
图1三种压电变压器的基本结构图
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。

按变压比不同，压电陶瓷变压器可以分为升压变压器和降压变压器两种（图2，3）。

在空载情况下，图2压电陶瓷升压变压器在谐振时的变压比由下式表示:
式中，V o/ Vi为空载时输出电压与输入电压之比；Qm为材料的机械品质因数；K31、K33为材料的机电耦合系数；ι为变压器发电部分的长度；t为变压器的厚度。

从上式可知，在材料特性不变的情况下，随着ι/ t的增大 ,变压比随之增大[4]。

压电陶瓷升压变压器可以广泛应用到工业控制监视、个人电脑、笔记本型电脑、移动电话等液晶显示屏的背光电源中，具有广阔的应用前景。

图2 Rosen型升压压电陶瓷变压器示意图
图3所示降压变压器，当在输入端加上交流电压时，由于逆压电效应，输入部分的单层压电陶瓷产生沿厚度方向的扩张振动,振动传递到输出部分后,由于压电效应,在输出端产生了输出电压。

这种压电降压变压器的变压比由输入部分与输出部分单层之间的厚度比决定[5]。

它的特点是工作能量密度高，工作频率高，因而可以将其制作成表面元件焊接在印刷板上，与同为表面元件的滤波电感和电容一起，可以获得微型的高效率开关稳压电源，实现电子仪器的微型化。

图3叠层式降压压电陶瓷变压器示意图
随着越来越多的应用领域的需求，几种电极涂覆模式精巧而结构简单的压电陶瓷变压器也被开发出来。

如由美国宾州州立大学Kenji Uchino等人研制开发的月牙形电极的圆片形压电陶瓷变压器，它的输入电极为月牙形，极化方向和Rosen型压电陶瓷变压器相似。

近似工作在压电圆片的径向振动模式频率，使它适合彩色液晶显示器背光电源的应用[6]。

韩国的Juhyun Yoo等人研制了环/菱形点型电极的方形压电陶瓷变压器，这种变压器具有较高的转换效率。

由于输出端电容的增加，输出端阻抗降低，使输出电流和功率都得到了有效的提高。

比较适合驱动普通的荧光灯[7]。

2.3 压电变压器的等效电路图
压电变压器实质上是一种压电换能器，尽管压电变压器具有不同的振动模式和机械结构，但其特性都可以用图4所示的等效电路模型来描述[8]。

(a) 机电等效电路
(b)折算到输入端等效电路
图4 压电变压器等效电路图
根据等效电路图就可以算出无负载时，开路变压器的升压比以及折算到输入端等效电路时的最大效率。

2.4 设计及制备工艺
压电陶瓷变压器的设计，一般是给定负载电阻、升压比和输出电压，然后根据已知材料的参数计算基片的尺寸。

由于压电陶瓷在强电场作用下多呈现非线性效应，将引起基片的严重发热造成退极化，使损耗大大增加，甚至不能正常工作。

为了保证变压器能安全正常地工作，发电部分的电场不能超过材料的允许值E0 ，故最小半长度L=U0/E0（其中U0为输出端电压）[8]。

压电变压器的制作工艺与一般压电陶瓷换能器相同，不同之处在于对烧结和极化进行了特殊处理，以达到所要求的性能[8]。

一直以来，电子陶瓷器件都采用传统的粉末成型、流延工艺或者丝网印刷后再进行烧结而成。

在20世纪80 年代后期，这些工艺逐渐被薄膜生长技术所补充，例如，脉冲激光沉积(PLD) 、化学溶液沉积(CSD)和物理气相沉积( PVD)等。

在沉积过程中，电子陶瓷材料一般都是在显微的尺度进行合成，而不需要粉末处理作为中间步骤，所以烧结温度一般大大低于体型陶瓷。

最近，越来越多的人开始研究电子陶瓷薄膜的制备工艺，并致力于将电子陶瓷薄膜与传统的电子集成电路相结合，范围包括微压电陶瓷换能器、驱动器、多层铁电薄膜电容器和铁电薄膜随机存储器等[1]。

3 国内外研究现状
一直以来对于压电陶瓷变压器的研究主要集中于变压器结构的改进和新振动模式的探索两个方面。

如前文提到的美国宾州州立大学Kenji Uchino等人研制开发的月牙形电极的圆片形压电陶瓷变压器，外形简单，设计巧妙。

在负载为
50Ω到200kΩ之间时，变压比介于43—60之间，而同样尺寸的方形片的变压比在40左右。

还有韩国的Juhyun Yoo等人研制的环/菱形点型电极的方形压电陶瓷变压器具有较高的转换效率，使输出电流和功率都得到了有效的提高。

清华大学李龙土院士率先提出了“多层压电变压器”设计思想[1]。

日本NEC公司研发出的三次多层Rosen型压电变压器，具有三个节点，所有的引出导线都焊接在这三个节点处，提供了很高的转换效率、输出功率和可靠性。

香港理工大学的J Hui Hu等人研制的低压用环形压电变压器，结构简单，制作极其方便，容易大规模批量生产，成本低，并且如果把多个环形变压器并联，可以获得更高的输出功率。

它在电子系统的低压电源模块上有很不错的应用前景。

浙江大学提出了利用半导体工艺制备高度集成化的薄膜型压电变压器的想法。

随着复合组分体系的功能陶瓷材料的研究开发，将电子陶瓷材料与半导体集成电路工艺相结合的研究逐渐成为一个趋势，压电薄膜技术的开发成为一个全新的研究热点[9]。

目前膜式压电陶瓷变压器的研究工作还主要集中在优化材料参数和压电陶瓷膜的制造及其极化工艺上。

二十一世纪初，国内压电陶瓷变压器的研究范围主要集中在大功率压电陶瓷变压器材料和单层压电陶瓷变压器[10 ,11 ]，对多层压电陶瓷变压器及其理论模型和驱动电路优化等方面研究较少。

虽然十年过去了，但国内对于压电陶瓷变压器的研究并没有突破性进展。

4 结语
压电变压器的应用与设计很大程度上取决于其几何结构参数，例如面积、长度、宽度、厚度、材料等，因而使其工作在最佳状态并非易事。

目前还有以下几个问题亟待解决：(1) 所选的电路拓扑应该能够有效地处理压电变压器( PT) 等效电路中的寄生参数，最好能包含这些参数。

(2) 压电变压器作为一个谐振元件，其增益随频率变化而变化，其最佳工作频率范围很窄(必须工作在谐振频率和反谐振频率之间)，因而PT不能像传统谐振变换器那样通过调节频率来控制变换器的输出电压，而必须以固定的频率（最优频率）驱动压电变压器。

我们需要做的就是如何简捷的确定最优频率。

（3）压电陶瓷变压器的发展必须适应电子设备的小型化、多功能和集成化的趋势，因此制备出满足性能要求的小尺寸压电变压器是今后研究的趋势。

参考文献
[1] 胡晓冰,李龙土. 压电陶瓷变压器研究和发展现状[J]. 功能材料2002,33(6): 590~593.
[2]彭军,谢运祥,徐九玲. 压电变压器的研究与应用前景展望[J].电工技术杂志, 2002 ,10:13~14.
[3]Flynn A M, Sanders S R. Fundamental limits on energy transfer and circuit considerations for piezoelectric transformers. IEEE PESC , 1998 : 1463～1471 [4]Rosen C A. Solid State Magnetic and Dielectric Devices [M] . New York: John Wiley & Sons Inc , 1959. 1712186.
[5] Osamu O, Yasuhiro S, et al. IEICE Trans Fundamentals [C]. Japan, Tokyo : Institute of Electronics Information and Communication Engineers ,1994. ( E77 - A) : 209822105.
[6] Burhanettin K, Sedal A , Kenji U. IEEE Ultrasonics Symposium [C] .IEEE Online Publicaitons ,1999. 9312934.
[7] Juhyun Yoo,Kwanghee Yoon,et al. [J]. Jpn J Appl Phys. 2000 , (39) : 268022684.
[8] 傅应泉,黄富钊.特种压电陶瓷变压器的研制[J]. 电子科技大学,1995, 24(5):492~493.
[9]朱奕蔓, 张光斌, 贺西平, 李珺.压电变压器的原理研究及应用[J]. 物理学和高新技术(物理版), 2008,37(8):603.
[10]周桃生, 邝安祥. [J] . 硅酸盐学报, 1992 , 20 (4) : 3322337.
[11] 谢菊芳, 邝安祥. [J] . 湖北大学学报, 1993 , 15 (3) : 2422245.。