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式等傳統(tǒng)變壓器是截然不同的。

　　人們對壓電陶瓷變壓器的研究始于20世紀50年代中后期。美國的Rosen于1956年闡述了壓電陶瓷變壓器的基本原理，并制備出長條形單片壓電陶瓷變壓器。由于當時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、雷達終端顯示器等的高壓電源領(lǐng)域。這一時期，人們對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火棒。進入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，使得壓電陶瓷變壓器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到長足進步和發(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)是法國的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究鐵電性和晶體對稱性的關(guān)系時發(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)分正和逆兩種類型。

　　正壓電效應(yīng)是指在壓電體上加一個機械應(yīng)力時，會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，給壓電棒加上機械壓力，在點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外加電場時，晶體會發(fā)生形變和振動，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，將會使陶瓷片振動并發(fā)出聲音。

　　壓電陶瓷變壓器是利用同一壓電陶瓷并同時利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來工作的，即完成電能——機械能和機械能——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]。

　　最簡單同時也是最為常用的壓電陶瓷變壓器是長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，稱為驅(qū)動部分；右半部分的端頭為燒滲的銀電極，沿陶瓷片長度方向（從左到右）極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當一個交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時，通過逆壓電效應(yīng)使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生伸縮振動，將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能；發(fā)電部分感受到驅(qū)動部分產(chǎn)生的機械振動后，通過正壓電效應(yīng)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，并在輸出端產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓。當輸入與輸出端的阻抗不相等時，它們的電壓和電流也不相等，從而可以實現(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度遠大于厚度，輸入阻抗遠小于輸出阻抗，可以用來實現(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為材料的機械品質(zhì)因素；K31和K33分別為材料的橫向和縱向機電耦合系數(shù)；L為驅(qū)動部分長度；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)動部分，而將驅(qū)動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。在上一個世紀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。