壓電陶瓷變壓器在開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用分析

壓電陶瓷變壓器在開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用分析摘要：介紹了壓電陶瓷變壓器的原理，等效電路及特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)應(yīng)用壓電陶瓷變壓器的開(kāi)關(guān)電源主電路，控制電路特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并簡(jiǎn)單介紹了壓電陶瓷變壓器目前在不同產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)電源中的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；壓電陶瓷變壓器；諧振；匹配；頻率跟蹤O引言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式電子設(shè)備小型化、輕型化要求開(kāi)關(guān)電源需滿足輕、小、薄等要求。而在開(kāi)關(guān)電源中，傳統(tǒng)電磁式變壓器和電感的體積和重量是整個(gè)電源的主要部分。盡管目前出現(xiàn)了平面電磁變壓器，或能夠集成PCB板上的小型變壓器，在一定程度上能實(shí)現(xiàn)減小高度和尺寸的目的，但仍然難以滿足輕、小、薄的要求。陶瓷變壓器是基于電-機(jī)-電的工作機(jī)理，不存在繞組和磁芯，可以做的很薄，使電源輕、小、薄成為可能。與基于其電-磁-電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的電磁變壓器相比，擁有許多優(yōu)勢(shì)，如沒(méi)有繞組線圈，不會(huì)受到電磁干擾和產(chǎn)生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成本低，絕緣等級(jí)高，且容易獲得高的電壓傳輸比，非常適合小功率高壓輸出場(chǎng)合。1壓電陶瓷變壓器1.1基本工作原理電磁式變壓器是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組通過(guò)電磁耦合來(lái)傳遞能量，而壓電陶瓷變壓器是借助壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)和。正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。電能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換，完成能量傳遞的目的。在這個(gè)能量傳遞過(guò)程中，首先是施加在壓電陶瓷變壓器的交流電能在逆壓電效應(yīng)的作用下轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷材料的振動(dòng)機(jī)械能，然后又在正壓電效應(yīng)作用下立即將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看。逆壓電效應(yīng)相當(dāng)于一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；正壓電效應(yīng)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。圖1Rosen型壓電?充變壓船現(xiàn)以Rosen型中的一種壓電陶瓷變壓器來(lái)說(shuō)明其工作原理，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。整個(gè)壓電陶瓷變壓器分為兩部分，左半部分為輸入端，其上下面有燒滲的陰極，沿厚度方向極化；右半部分為輸出端，沿長(zhǎng)度方向極化，右墻面有燒滲的陰極。在輸入端施加交變電壓時(shí)，如果交變電壓的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同或接近，則壓電陶瓷變壓器內(nèi)部形成

駐波，產(chǎn)生大幅度的應(yīng)力和位移分布，如圖1(b)所示；在壓電陶瓷變壓器的輸出部分出現(xiàn)最大的應(yīng)變，該應(yīng)變則經(jīng)由正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出。1.2等效電路壓電陶瓷變壓器有縱向振動(dòng)模式(Rosen型)、厚度振動(dòng)模式、徑向振動(dòng)模式和彎曲振動(dòng)模式等幾種類(lèi)型。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動(dòng)模式(Rosen型)為代表，是目前應(yīng)用最廣的壓電變壓器，而降壓輸出場(chǎng)合常用的是厚度振動(dòng)模式壓電陶瓷變壓器?？v向振動(dòng)模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)部分；銀電極涂在右端，沿長(zhǎng)度方向極化的右半部分稱(chēng)為發(fā)電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時(shí)需要的激勵(lì)信號(hào)特性和與之相匹配的電路，用相應(yīng)的電學(xué)元件等效其機(jī)械參數(shù)，其等效電路如圖2(a)所示，其中Cdl為壓電陶瓷變壓器輸入端的靜電容，Cd2為壓電陶瓷變壓器輸出端的靜電容，R、L、C分別為壓電陶瓷變壓器的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容。圖2(b)為壓電陶瓷變壓器的頻率特性，f0為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。(b)半謝(b)半謝K式 仆》全波模式圖1型壓電?充變壓圈施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)常是交變方波信號(hào)和正弦信號(hào)，對(duì)激勵(lì)信號(hào)而言，任意波形信號(hào)均可用以下函數(shù)表示：fg=4+工￡=加(株皿)+￡Jcos(rm)*(1)則正弦波形函數(shù)表達(dá)式為：九日=4.前日皿)? 仁)方波形函數(shù)表達(dá)式為：Cwt)4AIT[sin(wf) Cwt)4AIT[sin(wf) ++—sin(wt)]-nX(b)S2飄向握動(dòng)修式壓電變壓■等效電毫3UH率睡從圖2(a)可知，壓電陶瓷變壓器是一個(gè)諧振體，圖2(b)表示當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與變壓器的諧振頻率一致時(shí)，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖l可知，此時(shí)延長(zhǎng)度方向振幅最大，壓電變化才最有效。因此需要施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)頻率與變壓器諧振頻率保持一致。把壓電變壓器等效成一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號(hào)在壓電陶瓷變壓器上，從式(3)可知，在壓電陶瓷變壓器上的響應(yīng)為方波信號(hào)的各次諧波的響應(yīng)疊加。若方波信號(hào)基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時(shí)，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對(duì)壓電變化的有效性沒(méi)有積極作用，即這部分電能并沒(méi)加強(qiáng)延長(zhǎng)度方向的振幅。因此從電能利用率最大化角度考慮，施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)需要正弦信號(hào)。3壓電陶瓷變壓器的特點(diǎn)由1.1、1.2小節(jié)可知，壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和原理是全新的概念，與傳統(tǒng)電磁變壓器相比，其特點(diǎn)如下：(1)能實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。(2)安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒(méi)有磁芯和繞組，不存在磁飽和問(wèn)題，不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀。(3)功率轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)95%,最高可達(dá)98%。(4)能量傳輸是以高頻振動(dòng)的壓電方式實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI),也不會(huì)受到外界的電磁干擾。(5)不產(chǎn)生反峰電壓，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓。(6)壓電陶瓷變壓器輸出功率較小，目前成熟產(chǎn)品功率在10W以?xún)?nèi)，但已研究出20W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。(7)開(kāi)關(guān)電源采用壓電陶瓷變壓器，其電路必須與陶瓷變壓器的參數(shù)相配合才能有效工作，因此可調(diào)性差，電路設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。(8)壓電陶瓷變壓器的工作性能要受其安裝工藝影響。2基于壓電陶瓷變壓器開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)1主電路設(shè)計(jì)在選用傳統(tǒng)電磁變壓器的開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)中，通常是根據(jù)其傳輸?shù)墓β省㈦娫摧斎胩攸c(diǎn)、輸出特點(diǎn)，是否要求輸入輸出隔離等要求來(lái)選擇工作電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)選用的電路結(jié)構(gòu)，輸出功率等要求設(shè)計(jì)電磁變壓器，確定磁芯、繞組組數(shù)、線圈線徑和匝數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)。因此在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)，基本沒(méi)把電磁變壓器參數(shù)考慮進(jìn)去，只是在電源電路確定后才考慮變壓器設(shè)計(jì)。根據(jù)1.2節(jié)壓電陶瓷變壓器等效電路的分析，壓電變壓器電源的電路設(shè)計(jì)需要把壓電陶瓷變壓器作為影響電路是否正常工作的一個(gè)重要因素，即在電路結(jié)構(gòu)選擇，電路參數(shù)確定，控制方式等方面，都需要考慮壓電陶瓷變壓器的作用。根據(jù)上述分析，壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)頻率和負(fù)載對(duì)壓電陶瓷變壓器的轉(zhuǎn)換效率影響很大，通?；陔妷禾沾勺儔浩鞯拈_(kāi)關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。叵可二豁8二0=凰事B03基于壓電■充變壓■開(kāi)關(guān)電?主電路結(jié)構(gòu)把由根據(jù)壓電變壓器的等效電路圖2可知，當(dāng)壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時(shí)，從輸入端看進(jìn)去，相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載。因此需要一個(gè)輸入匹配電路來(lái)減小流入壓電陶瓷變壓器的電流，或者說(shuō)來(lái)補(bǔ)償容性阻抗。輸入匹配電路的設(shè)計(jì)主要由壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗和開(kāi)關(guān)變換電路的輸出阻抗決定?；趬弘娞沾勺儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁開(kāi)關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)一樣，仍然有回掃逆變電路、推挽逆變電路、全橋逆變電路，半橋逆變電路幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)前面分析可知，壓電陶瓷變壓器需要施加正弦激勵(lì)信號(hào)。如圖4所示，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)生成。BB4壓密?先變壓■財(cái)掃逮變電■推挽逆變電路需要大電感來(lái)完成充電和放電，對(duì)采用壓陶瓷變壓器使小型化電源的優(yōu)勢(shì)不再存在。全橋逆變電路使用開(kāi)關(guān)元件多，而對(duì)于壓電陶瓷變壓器半橋逆變電路，其主電路結(jié)構(gòu)有幾種方式(如圖5所示)。圖5(a)中需要借助壓電陶瓷變壓器才能完成零電壓開(kāi)關(guān)；圖5(b)中的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，諧振能量會(huì)在諧振環(huán)中流動(dòng)，最終回送到輸入當(dāng)中去。這些送回去的能量越多，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件承受的應(yīng)力就越大，在電路中損失的能量也越多；圖5(c)中串聯(lián)電感，與變壓器的靜態(tài)電容一起，可以保證壓電變壓器工作在較好的狀態(tài)，但在設(shè)計(jì)上存在一定限制。(c) (d) 曲5壓電畫(huà)陞變壓■率搟逆變電時(shí)*目前有一種LLC諧振半橋逆變電路，如圖5(d)所示，具有實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)功能，且進(jìn)入壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)。2.2控制電路在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，壓電陶瓷變壓器的溫度會(huì)發(fā)生變化，且所帶的負(fù)載也隨時(shí)在變化，這兩個(gè)因素會(huì)引起壓電陶瓷變壓器的諧振頻率發(fā)生變化。如果電源電路輸出固定頻率的激勵(lì)信號(hào)，不能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么壓電陶瓷變壓器諧振頻率變化時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率因不能工作在諧振狀態(tài)下大大降低，甚至不工作。因此要求主電路的輸出頻率能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。目前頻率跟蹤方式如表1所示。在實(shí)際的應(yīng)用中，如果電壓調(diào)節(jié)范圍比較大，雖然可通過(guò)PFM調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)，但這種方法不僅調(diào)節(jié)范圍窄，而且影響壓電冉瓷變壓器的最佳工作狀態(tài)。因此在要求調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用場(chǎng)合可通過(guò)PWM與PFM共同完成。3基于壓電陶瓷變壓器開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用從目前發(fā)展現(xiàn)狀看，升壓型壓電陶瓷變壓器超前于降壓型壓電變壓器，其實(shí)用程度較為廣泛。較為典型的應(yīng)用是升壓型壓電陶瓷變壓器在冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用。冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)通常是輸入電壓低，輸出電壓很高，達(dá)到1kV,但是輸出功率比較小，為了得到較高的輸出電壓，傳統(tǒng)的電磁變壓器需要匝數(shù)數(shù)量較大，且繞組線徑非常小，給制造帶來(lái)一定難度，且存在安全隱患，而用壓電陶瓷變壓器很容易實(shí)現(xiàn)。升壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用還有液晶顯示器(LCD)背光照明、電子警棍、負(fù)離子發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復(fù)印機(jī)、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置中。而降壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用有計(jì)算機(jī)、手機(jī)、攝像機(jī)等便攜式電子設(shè)備的AC