徑向多層壓電陶瓷變壓器的工作原理及性能分析
前言
壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成，最早于1956年由美國工程師提出，并研制出第一個單層壓電陶瓷變壓器，但限于當(dāng)時的科技水平，產(chǎn)品實用性極差。
由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，許多知名電子元器件廠家一直在該領(lǐng)域開展了大量研究。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展、制造工藝水平的極大提高，產(chǎn)品日益成熟，特別是近十年，電子產(chǎn)品小型化、薄型化、高效化的要求對它的需求越來越大，目前比較成熟的產(chǎn)品前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應(yīng)用，后者在高頻開關(guān)電源中應(yīng)用較廣。
近來對橫向振動型壓電變壓器的研究取得了很大進(jìn)展，其中最典型的是徑向振動型壓電陶瓷變壓器，本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路，并分析了其性能。
工作原理
壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場作用下內(nèi)部電疇與外加電場取向一致；所謂壓電特性是指在一個極化好的壓電陶瓷材料上施加一個壓力，則有自由電荷流入外接電路，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)；反之稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)結(jié)合起來，其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機械簡諧振動狀態(tài)，再由輸出端電極利用正壓電效應(yīng)將簡諧振動的機械能換成同頻率的電能，從而完成電能一機械能一電能的能量傳遞過程。一般情況下要求輸入電壓頻率應(yīng)與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣瓷片會產(chǎn)生機械共振現(xiàn)象，從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)
整個壓電變壓器可以分成兩部分：下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸入端，稱為驅(qū)動部分；上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸出端，稱為感應(yīng)部分。當(dāng)正弦交變電壓加到輸入端時，壓電變壓器產(chǎn)生沿徑向振動；而感應(yīng)部分通過正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓輸出。
多層變壓器（n1=3，n2=1）的結(jié)構(gòu)
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時，利用如所示的等效電路，其中：R為壓電瓷片振動阻尼等效電阻；L為壓電瓷片質(zhì)量（慣性）等效電感；C為壓電瓷片彈性系數(shù)等效電容；Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個樣本，其參數(shù)分別為：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以該樣本參數(shù)為例對多層徑向壓電變壓器性能進(jìn)行分析，并用電腦繪制各自的特性曲線。
1、變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當(dāng)輸出端接上一個負(fù)載電阻時，如所示，變壓器效率，共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關(guān)心的，我們采用將輸出端的負(fù)載與電容折算到輸人部分的辦法來進(jìn)行分析，再將并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)m抗，輸人法中：容易證明：蒞給定負(fù)載不變的情況下，當(dāng)M―0，則n―1；當(dāng)W―'則n―0；當(dāng)R，=1/mCm時，有<1 h2WwRCmh效率與負(fù)載間的特性曲線如（b）所示。效率，頻率、負(fù)載三者之間的關(guān)系如（c）所示。
2、共振頻率（b）的等效電路可知，當(dāng)Rl-0時的共振頻率為f=l/1）為共振頻率，可以證明：iRs=R時，輸出功率最大，Pmax=1/（4R）；當(dāng)dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）時，輸出功率出現(xiàn)極小+RL）2；歸一化輸出功率與負(fù)載的m特性曲線。
3、電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比，即Au=Uut/Uin，根據(jù)（b）的等效電路可知，在壓電陶瓷變壓器發(fā)生共振的情況下，電壓變比由下式?jīng)Q定時，電壓變比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲線如所示。
結(jié)束語
根據(jù)以上分析可知，多層徑向振動壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點，而且它的共振頻率更純，不像其它類型的壓電變壓器受各方向機械振動尺寸的不均勻影響而有雜波，加上它的體積更小，更薄、重量更輕、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，因此有望在低頻或工頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是徑向振動型壓電變壓器的電壓變比不及R型，因此較難以應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。
壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成，最早于1956年由美國工程師提出，并研制出第一個單層壓電陶瓷變壓器，但限于當(dāng)時的科技水平，產(chǎn)品實用性極差。
由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，許多知名電子元器件廠家一直在該領(lǐng)域開展了大量研究。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展、制造工藝水平的極大提高，產(chǎn)品日益成熟，特別是近十年，電子產(chǎn)品小型化、薄型化、高效化的要求對它的需求越來越大，目前比較成熟的產(chǎn)品前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應(yīng)用，后者在高頻開關(guān)電源中應(yīng)用較廣。
近來對橫向振動型壓電變壓器的研究取得了很大進(jìn)展，其中最典型的是徑向振動型壓電陶瓷變壓器，本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路，并分析了其性能。
工作原理
壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場作用下內(nèi)部電疇與外加電場取向一致；所謂壓電特性是指在一個極化好的壓電陶瓷材料上施加一個壓力，則有自由電荷流入外接電路，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)；反之稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)結(jié)合起來，其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機械簡諧振動狀態(tài)，再由輸出端電極利用正壓電效應(yīng)將簡諧振動的機械能換成同頻率的電能，從而完成電能一機械能一電能的能量傳遞過程。一般情況下要求輸入電壓頻率應(yīng)與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣瓷片會產(chǎn)生機械共振現(xiàn)象，從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)
整個壓電變壓器可以分成兩部分：下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸入端，稱為驅(qū)動部分；上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸出端，稱為感應(yīng)部分。當(dāng)正弦交變電壓加到輸入端時，壓電變壓器產(chǎn)生沿徑向振動；而感應(yīng)部分通過正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓輸出。
多層變壓器（n1=3，n2=1）的結(jié)構(gòu)
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時，利用如所示的等效電路，其中：R為壓電瓷片振動阻尼等效電阻；L為壓電瓷片質(zhì)量（慣性）等效電感；C為壓電瓷片彈性系數(shù)等效電容；Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個樣本，其參數(shù)分別為：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以該樣本參數(shù)為例對多層徑向壓電變壓器性能進(jìn)行分析，并用電腦繪制各自的特性曲線。
1、變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當(dāng)輸出端接上一個負(fù)載電阻時，如所示，變壓器效率，共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關(guān)心的，我們采用將輸出端的負(fù)載與電容折算到輸人部分的辦法來進(jìn)行分析，再將并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)m抗，輸人法中：容易證明：蒞給定負(fù)載不變的情況下，當(dāng)M―0，則n―1；當(dāng)W―'則n―0；當(dāng)R，=1/mCm時，有<1 h2WwRCmh效率與負(fù)載間的特性曲線如（b）所示。效率，頻率、負(fù)載三者之間的關(guān)系如（c）所示。
2、共振頻率（b）的等效電路可知，當(dāng)Rl-0時的共振頻率為f=l/1）為共振頻率，可以證明：iRs=R時，輸出功率最大，Pmax=1/（4R）；當(dāng)dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）時，輸出功率出現(xiàn)極小+RL）2；歸一化輸出功率與負(fù)載的m特性曲線。
3、電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比，即Au=Uut/Uin，根據(jù)（b）的等效電路可知，在壓電陶瓷變壓器發(fā)生共振的情況下，電壓變比由下式?jīng)Q定時，電壓變比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲線如所示。
結(jié)束語
根據(jù)以上分析可知，多層徑向振動壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點，而且它的共振頻率更純，不像其它類型的壓電變壓器受各方向機械振動尺寸的不均勻影響而有雜波，加上它的體積更小，更薄、重量更輕、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，因此有望在低頻或工頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是徑向振動型壓電變壓器的電壓變比不及R型，因此較難以應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。
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