壓電陶瓷變壓器及其應(yīng)用（圖）

　　關(guān)鍵詞：壓電陶瓷變壓器；結(jié)構(gòu)原理；特性；應(yīng)用領(lǐng)域；驅(qū)動(dòng)電路。

　　壓電陶瓷變壓器是用鐵電陶瓷材料經(jīng)燒結(jié)和高壓極化等工藝制成的一種新型電子變壓器，其結(jié)構(gòu)和工作原理與電磁繞線(xiàn)式等傳統(tǒng)變壓器是截然不同的。

　　人們對(duì)壓電陶瓷變壓器的研究始于20世紀(jì)50年代中后期。美國(guó)的Rosen于1956年闡述了壓電陶瓷變壓器的基本原理，并制備出長(zhǎng)條形單片壓電陶瓷變壓器。由于當(dāng)時(shí)的這種變壓器采用的是壓電性能差和居里溫度低的鈦酸鋇（BaTiO3）材料，功率太小，成本也太高，并且工藝不成熟，因而未能引起人們的重視。在20世紀(jì)60年代到70年代初，關(guān)于壓電陶瓷材料的研究取得了一些進(jìn)展，在70年代壓電陶瓷變壓器發(fā)展成為一種新型的電子陶瓷變壓器，并在80年代被推廣應(yīng)用到電視機(jī)、雷達(dá)終端顯示器等的高壓電源領(lǐng)域。這一時(shí)期，人們對(duì)與壓電陶瓷變壓器相關(guān)的最熟悉的產(chǎn)品就是壓電陶瓷蜂鳴器和點(diǎn)火棒。進(jìn)入90年代中期后，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及電子產(chǎn)品朝輕、薄、短、小方向發(fā)展的趨勢(shì)，使得壓電陶瓷變壓器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展。

　　1、壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　壓電變壓器的工作原理基于壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是法國(guó)的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究鐵電性和晶體對(duì)稱(chēng)性的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象。除了單晶體外，壓電陶瓷多晶體和某些非晶固體等也具有壓電效應(yīng)。

　　壓電效應(yīng)分正和逆兩種類(lèi)型。

　　正壓電效應(yīng)是指在壓電體上加一個(gè)機(jī)械應(yīng)力時(shí)，會(huì)使壓電體極化并在一定的表面形成電荷的效應(yīng)。壓電陶瓷棒就是利用正壓電效應(yīng)工作的，給壓電棒加上機(jī)械壓力，在點(diǎn)火棒兩端即有高壓產(chǎn)生。

　　逆壓電效應(yīng)是指在壓電體上有一個(gè)外加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生形變和振動(dòng)，這一現(xiàn)象就是逆壓電效應(yīng)。壓電陶瓷蜂鳴器就是利用逆壓電效應(yīng)工作的，給壓電陶瓷片加上電壓信號(hào)，將會(huì)使陶瓷片振動(dòng)并發(fā)出聲音。

　　壓電陶瓷變壓器是利用同一壓電陶瓷并同時(shí)利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的，即完成電能——機(jī)械能和機(jī)械能——電能的兩次能量轉(zhuǎn)換。

　　壓電陶瓷變壓器所使用的壓電陶瓷材料除了BaTiO3外，還有PZT系壓電陶瓷、三元系壓電陶瓷（如鈮鎂鈷鈦酸鉛系、鈮鋅鋯鈦酸鉛系、碲錳鋯鈦酸鉛系、銻錳鋯鈦鉛酸系等）及四元系壓電陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3）等]。

　　最簡(jiǎn)單同時(shí)也是最為常用的壓電陶瓷變壓器是長(zhǎng)條形單片壓電陶瓷變壓器（即Rosen型壓電變壓器），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　從圖1可知，整個(gè)變壓器分為兩部分：左半部分上下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度（上下）方向極化，這部分作為電壓輸入端，稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)部分；右半部分的端頭為燒滲的銀電極，沿陶瓷片長(zhǎng)度方向（從左到右）極化，作為輸出端，稱(chēng)為發(fā)電部分。當(dāng)一個(gè)交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時(shí)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)使壓電變壓器沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)電部分感受到驅(qū)動(dòng)部分產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)后，通過(guò)正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并在輸出端產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓。當(dāng)輸入與輸出端的阻抗不相等時(shí)，它們的電壓和電流也不相等，從而可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電壓和電流變換功能。

　　圖1所示的壓電變壓器的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度，輸入阻抗遠(yuǎn)小于輸出阻抗，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓目的。這種變壓器在空載和諧振狀態(tài)下的最大升壓比為：
            （1）
　　式中：Vout和Vin分別為輸出電壓和輸入電壓；Qm為材料的機(jī)械品質(zhì)因素；K31和K33分別為材料的橫向和縱向機(jī)電耦合系數(shù)；L為驅(qū)動(dòng)部分長(zhǎng)度；t為陶瓷片厚度。
變壓器的最大效率為：
           （2）
　　[$page]　　如果將圖1中的發(fā)電部分作為壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)部分，而將驅(qū)動(dòng)部分作為壓電變壓器的發(fā)電部分（如圖2所示），于是發(fā)電部分的輸入阻抗大于驅(qū)動(dòng)部分的輸出阻抗，致使輸出端的電壓降低，電流增大，便成為一種降壓型壓電陶瓷變壓器。由于壓電陶瓷降壓變壓器的輸出阻抗比較大，很難小于100Ω，因此輸出電流比較小。

　　圖3所示是日本NEC公司利用K1振動(dòng)模式的壓電陶瓷降壓變壓器示意圖，圖4所示為采用徑向振動(dòng)模式的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的結(jié)構(gòu)示圖。

　　單片壓電陶瓷變壓器比較小，功率也比較低。在上一個(gè)世紀(jì)90年代，人們將制備多層片式陶瓷電容器（MLCC）的工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制作中，于是制成了多層片式壓電陶瓷變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種N層結(jié)構(gòu)的壓電變壓器，每層的極化方向相反，各電極采用叉指方式交替地連接。通過(guò)調(diào)整陶瓷層數(shù)可以有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變變壓比。圖6所示為驅(qū)動(dòng)和發(fā)電部分分別采用多層陶瓷和內(nèi)電極結(jié)構(gòu)的升壓和降壓變壓器示圖。