压电陶瓷变压器

压电变压器直流高压电源设计
摘要
压电陶瓷变压器是一种新型的压电换能器件，具有尺寸小，结构简单，不可燃，耐辐射，高可靠等优点。

压电变压器在电视显像管、雷达显示管、静电复印机、静电除尘、小功率激光管、离子发生器、高压极化等设备中得到广泛的应用。

本课题是研究压电变压器设计出10kV的直流高压电源。

当在压电陶瓷变压器输入端（驱动部份）加入交变电压时，通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入端阻抗，输出端电压远大于输入端电压．一般输入几伏到几十伏的交变电压，可以获得几千伏以上的高压输出．
关键词：压电陶瓷变压器直流高压阻抗
Design of Piezoelectric Transformer DC
high voltage power supply ABSTRACT
Piezoelectric ceramic transformer is a new type of piezoelectric transducer device, the size is small, simple structure, non-combustible, resistance to radiation, high reliability. Piezoelectric Transformers in a television picture tube, radar showed tube, electrostatic copier, electrostatic dust, small power laser diodes, ion generator, high voltage polarization, and other equipment was widely used.
The topic is the study piezoelectric transformer design of the 10 kV DC high voltage power supply. When the piezoelectric ceramic transformer input (some drivers) by adding alternating voltage, reverse piezoelectric effect. have artifacts along the length direction of the stretching vibration, the input energy into mechanical energy; and some power is through piezoelectric effect of converting mechanical energy to electrical energy so the output voltage for artifacts than the length of thickness, Therefore, the output impedance than input impedance, the output voltage than input voltage. General Fu few to a few tens of volts of alternating voltage, available thousands of volts above the high pressure output.
Keywords:Piezoelectric Ceramic Transformer DC high voltage
Impedance
目录
第一章综述 (1)
1.1压电陶瓷变压器发展概况 (1)
1.2压电陶瓷变压器研究进展 (2)
1.3 压电变压器的应用 (5)
1.4本课题研究的意义 (7)
第二章压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性 (9)
2.1 压电陶瓷变压器的结构和工作原理 (9)
2.2压电陶瓷变压器的等效电路 (11)
2.3压电陶瓷变压器的工作特性 (12)
第三章压电陶瓷变压器高压电源设计 (18)
3.1设计思想 (18)
3.2压电陶瓷变压器的选取和计算 (19)
3.3电路的设计 (21)
3.4驱动变压器的设计与计算 (22)
3.5倍压整流电路的设计 (26)
第四章压电陶瓷变压器高压电源性能测试 (28)
第五章结论 (30)
致谢 (31)
参考文献 (32)
第一章综述
1.1压电陶瓷变压器发展概况
压电变压器是20世纪50年代后期开始研制的一种新型压电器件，最早由c．A．Rosen于1956年发明。

但是，那时的压电陶瓷材料是以钛酸钡(BaTiO3)为主，其压电性能低，制成的压电变压器升压比很低，仅有50～60倍，输出电压仅为 3 kV，实用价值不大，故未能引起人们的重视。

随着锆钛酸铅(PbZrTiO3) 等高和高压电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著的进展。

目前已能生产升压比为300～500，输出功率50 w 以上的压电变压器。

随着信息处理设备和通讯设备日益小型化的发展，电源设备小型化的需求越来越高，加上功能陶瓷材料的迅猛发展，压电变压器的应用范围越来越广。

目前压电变压器已用于电视显像管、雷达显示管、静电复印机、静电除尘、小功率激光管、离子发生器、高压极化等高压设备中。

由于压电陶瓷变压器具有尺寸小，结构简单，不可燃，耐辐射，高可靠等优点，是压电陶瓷边获得广泛应用的主要原因，由于压电陶瓷变压器是一种新型高压变压器，它有许多优点，所以它主要用于产生高压的装置中采用压电陶瓷变压器升压器制作电源，工作稳定可靠，目前，压电陶瓷变压器正在高压小电流的高压设备中推广使用，陶瓷变压器以开始应用于雷达，激光，静电除尘和复印等装置中，代替铁芯变压器。

压电陶瓷变压器作为新原理电子变压器，已引起国内电子变压器行业的注意。

上世纪90 年代以来，把多层片式电容器的制造技术移植到压电陶瓷变压器的制造上，克服了早期用有机粘结剂粘结多层压电陶瓷变压器的性能偏低而且不稳定的缺点，从而可能实现规模生产，逐渐在各种电子设备中推广应用。

“全国电子变压器行业协会论文集”2004 年第（六）集和2005 年第（七）集相继发表了几篇文章进行介绍，希望在铜铁材料涨价的情况下，电子变压器行业能对这种不用铜铁材料的压电陶瓷变压器进行开发和生产[4]。

1.2压电陶瓷变压器研究进展
目前人们主要从采用新型压电材料、提高驱动路效率和采用合理的物理模型等方面设计制造小化、高功率、高效率的压电变压器。

1.2.1新型压电变压器材料的研究
由于压电变压器是利用机电能量的二次变换在谐振频率上获得升压输出，因此要求材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因数和高的电学品质因数，以获得高的升压比，小的机械损耗和介质损耗。

此外还要求材料的频率稳定性好，机械强度高，以承受工作时的强的振动。

未经改性的 PZT 材料各项性能指标往往达不到压电变压器材料的要求。

通过对 PZT 材料进行掺杂，微量取代 A 位或 B 位离子，产生晶格畸变，改变载流子浓度，可以改善 PZT 材料的性能。

采用微细晶粒的材料，可使材料的机械强度比通常的材料提高一倍以上。

例如在 PMN-PzT 材料中掺入适量的2CeO 烧结出组成为0.940.060.520.480.9231/32/30.07532()()0.25%Pb Ba Zr Ti Mn Nb O CeO +(掺杂量为摩尔分数)的压电材料，可减小材料的晶胞参数，提高材料的机械品质因数和机电耦合系数p k 。

在 PNW ．PMN ．PZT 材料中掺入适量的 232,PbO Fe O CeO 和烧结出组成为0.940.061/21/20.021/32/30.070.510.490.913()()()0.5%Pb Sr Ni W Mn Nb Zr Ti O PbO ++
2320.3%0.25%Fe O CeO +(掺杂量为质量分数)的高介电常数、高机械品质因数和谐振频率温度稳定性好的压电变压器材料[3]。

在 PMN ．PZT 材料 中加 入 微 量 的 PNN 固溶体 ，得到成分为
1/32/30.011/32/30.080.5050.4950.91[()()()Pb Ni Nb Mn Nb Zr Ti 3]0.5%O PbO +(掺杂量为质量分数)的压电材料，不但可以提高材料的相对介电常数和机电耦合系数，还可以降低材料的烧结温度。

1.2.2压电变压器的振动模式和几何结构的改进
随着电子工业的不断发展，要求电子器件向小型化方向发展，国内外研究人员开始研究多层变压器(MPT ：Multilayer Piezoelectric Transformer ，如图1-1所示 )，因为多层变压器不仅可以减少占用的空间，节省材料，还能提高升压比和输出功率 。

清华大学是国际上最早研究多层压电变压器的单位，通过添加少量低熔点助烧剂2323B O Bi O CdO --使 P2rT 陶瓷的烧结温度从 1250℃降到960℃，并采用 Ag ／Pd 电极共烧成多层压 电变压器，交流无空载时的升压比比传统的单层压电变压器高 30～40倍[8]。

Philips 公司在单层 Rosen 型压电变压器的基础上研发出多层 Rosen 型压电变压器，其设计尺寸约为 28 mm ×5 mm ×2 mm ，层数最多可达 44层，每层厚度最小为 40μm 。

这种多层 Rosen 型压电变压器无论是输出功率还是升压比都比单层的Rosen 型压电变压器要大。

图1-1 多层压电变压器结构图
普通 Rosen 型压电变压器，不管是单层还是多层压电变压器，都有一个严重的缺点，输出端导线焊在输出端电极上，而这正是振动位移最大的位置，这样会导致导线和电极之间的连接可靠性比较差，并且导线的重量和连接的方式也阻碍了变压器的振动。

为此，NEC 公司研发出三次Rosen 型多层压电变压器，如图1-2所示 。

这种新型的压电变压器具有更高的可靠性、转换效率和更薄的尺寸，整个变压器瓷片上有三个节点，引出导线都焊在这三个节点处，这就克服了普通 Rosen 型压电变压器的缺点。

图1-2 三次Rosen型压电变压器结构和震动模式
1.2.3压电变压器驱动电路和输出匹配电路的优化
驱动电路对于压电变压器性能的发挥起着关键的作用。

压电变压器的工作频率在谐振频率和反谐振频率之间。

而压电变压器的输入电源一般为低压直流电因此驱动电路必须产生一个频率与压电变压器振动频率相等的信号，使压电变压器正常工作[10]。

M．Sanz等人分析对比了几种驱动电路的复杂度和压电变压器的效率之间的平衡关系，提出了应用在不同场合的压电变压器驱动电路。

E．Dallago等人采用频率跟随技术，优化了驱动电路(如图1-3所示)，克服了因负载变化和温度变化引起的频率匹配问题。

图1-3 压电变压器DC/DC转换器极其驱动电路
高压压电变压器输出端为高阻抗，当外加负载等于输出阻抗的时候，压电变压器就有最大转换效率。

从输出端看过去，压电变压器的输出级可以看成一等效阻抗。

为了使等效阻抗与理想负载阻抗匹配，必须精心设计输出匹配电路。

C．Y．Lin等人设计了一种压电变压器及其匹配电路，研究了驱动电路(信号放大器)、压电变压器和匹配电路之间的关。

J．Diaz和M．J．Prieto等人把压电变压器应用在AC／DC和DC／DC转换器中。

压电变压器的转换效率是开关频率和负载的函数[11]。

T．Zaitsu和S．Hamamura 等人研究了在固定开关频率下通过脉冲宽度调制(PWMPulse Width Modulation)和在固定负载下通过脉冲频率调制(PFM：Pulse Frequency Modulation)有效控制压电变压器功率转换器的输出电压。

图1-4所示。

图1-4 PWM和PFM控制压电变压器转换器简图
1.3 压电变压器的应用
1.3.1 CCFL驱动器
压电变压器最典型的应用之一就是驱动CCF(cold cathode fluorescent lamp，冷阴极管)因为CCFL的工作特性非常适合于压电变压器的性，即输出阻抗高、输出电流小、输出电压随阻抗化大等。

而CCFL在启动时需要1000V左右的压，平稳工作状态下需400V~500V左右的电压，阻抗较启动时下降数十千欧。

此外，CCFL对电的要求不高，一般为5mA～6mA。

CCFL的这些性恰好与压电变压器的上述特性相符。

在实际应压电变压器时，必须解决以下几个关键技术问题：(1)选择合适的材料；(2)振动模式的选择；(3)器件的安装；(4)驱动与控制电路的设计[7]。

1.3.2 DC-DC(直流一直流)变换器
当今的电子设备小型化、轻型化的需求日益突出，因此为其提供直流电压的直流变换器也必须做到小型化和轻型化[1]。

另外从低能耗的角度来讲，其能量转换的效
率也必须提高。

但是这些要求对传统的直流变换器来说是难以达到的，因为其必须符合
严格的安全及噪声规范，如 UL ，IEC 和 CISPR(无线电干扰特别委员会)等的标准。

特别是因为电磁变压器的存在，直流变换器的重量和体积更是难以降低。

用压电变压器取代电磁变压器，上述问题便可迎刃而解。

由压电变压器制做的 DC-DC 变换器 如图 1-5所示。

图1-5 DC-DC 变换器
基本的工作过程为：开关1S 和2S 以非常短暂的切换时间(称为 dead time)轮流导通。

在此时间内，电磁电流Lr i 通过r L 向1S 和2S 的并联输出电容充电，因此ZVS(零电压切换)术得以实现。

通过1S 和2S 的零电压切换，压电变压器的输入端会产生准方波波形1s d V ，由于压电变压器良好的谐振特性，其输出端产生正弦波2V ，2V 经整流后成为直流电压供给负载。

图中的压电变压器仅重 65g ，远远轻于传统的电磁式变压器，而且能量密度效率可以大大提高。

1.3.3 其它应用研究及实用产品
上述两种应用是压电变压器最典型的应用。

除此之外，压电变压器还被应用于军事方面，即利用其输出电极端子放电引爆高压雷管。

民用方面的应用有高压防盗器、高压电击棒、小型 x 光机、雷达、复印机、氦一氖和小型二氧化碳激光器等等。

目前实用产品也比较多。

如 NEC 公司及田村制作所先后向市场推出的用压电变压器制成的 LCD(液晶显示器)背光电源，京都技术研究所开发 的效率高达90％，包含驱动电路在内仅重 1．78g 的第 3代手机背景驱动电源，Tamura 公司的HBL 系列产品等。

现在压电陶瓷变压器的应用分为两种，一种是由低压变成高压的升压变压器，用于液晶显示器、静电除尘器和高压电源中，国内外都已形成规模生产。

另一种是由高压变成低压的降压变压器，现在仍处于研究开发阶段，只有个别的产品投入生产，现在见到已报道的最好的样机，是日本富士通利用LiNbO3单晶制成15 mm×15 mm×0.5mm 的压电陶瓷变压器，工作频率4 MHz，输出功率30~40W，可以用于降压型开关电源。

由于压电变压器具有体积小、重量轻、不会击穿、不怕短路、升压比高、输出阻抗高等特点，因此它主要应用于需要高电压小电流的领域。

将它应用于雷达显示器高压用源不仅缩小了这种电源的体积，而且大大提高了装备的可靠性。

静电喷塑设备需要60Kv的高压，而传统的供电电源是体积较大的柜式电源。

采用压电陶瓷变压器后，该电源可以安装在高压喷枪的手柄上，使用非常方便，同时也降低了设备的成本。

作为交流输出的应用，液晶显示用压电陶瓷变压器背光电源最具有代表性。

液晶显示背景光源采用冷阴极管（LCD），它的击穿电压约1500V，工作电压约400V。

压电陶瓷变压器输出阻抗高，具有较好的恒流特性，这刚好符合点亮冷阴极管电源的技术要求，而且压电陶瓷变压器厚度只有1.5mm也正好适应液晶显示器薄形化的结构要求。

目前这种电源在国内外形成规模生产，主要应用于笔记本电脑和其它液晶显示设备[20]。

压电陶瓷变压器应用实例还有很多，不再一一列举。

今后，隋着高性能材料的开发，元件形状和结构的改进以及配套电路的完善，其应用会更加完善。

1.4本课题研究的意义
压电陶瓷变压器与电磁变压器相比，具有体积小，厚度一般小于5 mm，重量轻，结构简单，不怕受潮，不怕燃烧和击穿，电磁兼容性好（包括无电磁干扰和不受电磁干扰）。

安全可靠，转换效率超过90%等优点。

但是，功率小，现在最大为40W，配套电路比较复杂，工艺流程还不完整，还没有很好解决压制、烧结、磁性激化等工艺问题，规模生产优良率不高，导致成本偏高，价格比现有同容量的电磁变压器贵。

因
此要推广应用还需要解决一系列问题。

在现代电子设备中（例如静电复印机、雷达、信息处理设备的显示系统等）往往需要几千伏甚至上万伏的高压供电，通常这些高压是通过电磁变压器升压而获得的，但是由于体积及结构的原因，这种变压器存在绕制及绝缘处理困难，变压器的次级绕组工作在高压状态易打火、击穿，故障率高等问题。

压电陶瓷变压器是一种从材料结构到工作原理都不同于传统概念的变压器，它是用铁电材料（例如PZT、PMMN等）经高温烧结、高压缴化等一系列工艺制备而成的，低损耗、小尺寸、高可靠、抗干扰和低价位电子电源的市场需求量不断提高。

压电陶瓷电源产品在输入和输出之间具有较高的绝缘和耐压，在输入输出端之间加压5000VDC／分钟下漏电流仅为微安级。

同时，在恶劣的条件如潮热、盐雾、冲击和振动等环境下均能正常工作。

压电陶瓷电源技术压电陶瓷转换效率可以达到98％，比普通电源50－60％的转换效率要高得多。

从原理上可以看出，其造价并不比传统电源产品更贵，而体积却要小得多[15]。

此外，规模化生产还将进一步降低成本，从而在竞争中更具优势，用压电陶瓷变压器制做高压电源不仅克服了传统电磁变压器工作在高压状态下所存在的问题，而且能很好地适应电子设备小型化、轻型化、薄型化的发展需要，有广泛的的应用前景。

第二章压电陶瓷变压器的工作原理和基
本特性
2.1 压电陶瓷变压器的结构和工作原理
压电陶瓷变压器的结构因其形状、电极和极化方向不同而有多种形式，其中长条片状结构的陶瓷变压器最为常用，因其结构衙单，制作容易，并且具有较高升压比和较大的输出功率．这种压电陶瓷变压器的形状如图2-1所示．整个长条片型压电陶瓷变压器中分成两部分：左半部的上、下两面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，作为输入端，称为驱动部分；右半部分的右端也有烧渗的银电扳，澄长度方向极化，作为输出端，称为发电部分．
图2-1 长条片型陶瓷变压器
制备好的压电陶瓷晶体在居里温度下属四方晶相多电畴结构，经高压电场极化后因电畴转向，陶瓷体内极化强度不为零而具有压电性。

当在压电陶瓷变压器输入端（驱动部份）加入交变电压时，由于逆压电效应，压电陶瓷变压器产生长度方向上的伸缩振动，输入的电能转换成机械能。

在发电部份由于存在纵向振动，通过正压电效应，机械能转换成电能，因此在输出端有电压输出。

压电陶瓷变压器的能量转换过程与电磁变压器截然不同，是从电能到机械能又到电能的物理过程[14]。

当压电陶瓷变压器输人端加上频率为瓷片固有谐振频率的交变电压时、通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则
通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入端阻抗，输出端电压远大于输入端电压．一般输入几伏到几十伏的交变电压，可以获得几千伏以上的高压输出．
在无负载的情况下，压电陶瓷变压器在谐振的时候的升压比由下式决定：
式中的为空载升压比. 为材料的机械品质素质，为材料的机电耦合系数，分别为发电部分的长度和厚度。

据此可以看出：当材料和工艺确定后。

升压陶瓷变压器的升压比只与L，t有关。

长度越长。

升压比越高，厚度越厚，升压比越低。

上述公式的计算值和时测的数据误差教大，必须考虑弥散电容，加以修正。

一般线绕式变压器对于外加电源频率的要求不高，在相当宽的频率范围内，变压器的变比，输出功率，功率几乎不变。

对于陶瓷变压器，则要求电源频率高度稳定，往往电源频率偏离稳定值的千分之五，则变压器的升压比就有可能下降百分之十以上。

陶瓷变压器要求电源的频率必须与其本身产生的机械频率相一致。

通常压电陶瓷变压器只能在两种频率下工作。

即半波谐振频率f r1 或全波谐振频率f r2。

所谓半波，是指片长等于一个驻波波长。

陶瓷变压器的谐振频率决定与陶瓷片的几何尺寸和材料的声速，即f r=v/ λ。

式中v为材料的声速，λ是沿长度方向的驻波波长。

图2-2所示表示压电变压器工作在谐振状态下，其半波谐振状态和全波谐振状态的质点位移和应力分析情况。

图2-2 压电陶瓷变压器的应力分布
2.2压电陶瓷变压器的等效电路
压电陶瓷变压器由驱动部分和发电部分组成，其驱动部分，即压电陶瓷变压器的输入回路与驱动电路相连接，为了使二者阻抗相匹配，有效地传输基本电气特性研究。

压电陶瓷变压器是谐振体，只有在驱动电压频率等于压电陶瓷耦合器固有谐振频率、谐振体处于谐振状态、沿长度方向振幅最大的情况下，才能进行有效的电压变换。

压电陶瓷变压器等效电路比较复杂[8]，考虑到输出端对输入端的影响，用电声学理论最终可导出从输入端看进去的等效电路如图2-2所示。

根据压电陶瓷变压器的输入回路的等效电路可以从压电方程和波动方程导出、解长片型压电振子的压电方程：
和波动方程：
可得
其中为输入极板之间的夹片电容，分别为压电陶瓷变压器等效电容
和电感，其等效电路如图2-2所示、理论分析和试验结果表明，压电陶瓷变压器输入回路呈串联谐振时，升压比G最高，如图2-3所示、其谐振频率为：
图2-3 压电陶瓷变压器输入回路的等效电路
式中为陶瓷片谐振频率．为频率常数，为资瓷片的长度．从(5)式可以看出，当陶瓷片材料确定以后，由值确定。

2.3压电陶瓷变压器的工作特性
2.3.1升压比特性
对PT进行测试的线路如图2-4所示。

信号源所提供的交流电压的频率与PT的谐振频率相同。

PT的输出为二倍压整流直流输出。

测试结果如图2-5所示。

图2-2a、b中实线为理论值，三角、方波及圆点为实验值。

当负载一定时，输出电压与输人电压成线性关系，而图2-5a中的实测值很好地反映了这一关系。

由图2-5b不难看出，当负载阻抗足够大时升压比达到了10倍以上，并且随着负载阻抗的增大，升压比还可进一步提高。

我们在实验中测得的升压比达到100倍以上，即在10MΩ负载下，输入20V电压，输出端得到2．3kv 多的电压。

在测试中我们还观察到，随着负载逐渐减小，PT的谐振频率有所下降，如图2-5c所示。

图2-5d反应了PT的频率谐振特性，从图中可以看出，PT相当于一个具有放大功能的窄带滤波器，只有当输人信号(电压)的频率接近PT的谐振额率时，此电压才被大幅度放大，当输人信号的频率偏离PT的谐振频率较大时(≥lkHz)，放大倍数大大降低。

图2-4 测试线路
图2-5 测试曲线
2.3.2阻抗特性
PT的阻抗特性如图2-6所示。

测试条件为输出端开路，无整流电路。

图2-6a 显示，PT的半波谐振频率为35kHz，全渡谐振频率为70kHz，这与振动理论分析的结果是相同的。

图2-6b是PT输人端电压与电流间的相位差随频率变化的曲线。

由图可见，在正、反两个谐振点上，相位差为0，输人阻抗为纯阻性；两点之间为感性；两点外为容性，电压落后于电流。

图2-6 阻抗特性
2.3.3频率特性
电磁变压器工作频率决定铁心材料、绕组及绕组的分部参数，一般来说它可以在较宽的频带范围内工作。

压电陶瓷变压器只有在频率等于压电变压器固有谐振频率的驱动电压激励下，使陶瓷片处于谐振状态，沿其长度方向振动最强的情况下，才有升压作用。

陶瓷变压器的谐振频率、决定于陶瓷片的几何尺寸和材料的声速，即
式中V是材料的声速，λ是沿长度方向的驻波波长。

若λ=2L，即陶瓷变压器之长度等于全波波长时，称全波谐振，此时驻波节点有两个，分别位于片长两端的
四分之一处。

若λ= 4L，即压电变压器的长度等于半波长时，称为半波谐振，此时，节点有一个，位于片长的中间。

因驻波节点振幅为零，所以压电陶瓷变压器的固定支承点应选在驻波的节点上，正确选择支承点位置，使用压电陶瓷变压器时必须注意。

图2-7为测定wTB一2型压电陶瓷变压器的升压比一频率特性。

从图2-7可以看出，压电陶瓷变压器升压比随输入电压的频率变化而变化，在谐振频率附近．升压比最大，它的频带很窄。

从压电变压器的辖入端观看，内部等效电路如图2-8，它与水晶振子的特性相似，压电陶瓷变压器，不管是半波谐振或者全波谐振，都呈申聪谐振性质，其谐振频率分别为
，这是压电陶瓷变压器的一个重要性质，也是它与线绕变压器的一个重要差别[12]
图2-7 G-f特性曲线
图2-8 输入回路等效电路。