4 壓電變壓器
4.1 概述
壓電變壓器是20世紀(jì)50年代后期開始研制的一種新型壓電器件,最早由C. A. Rosen于1956年發(fā)明。即時(shí)的壓電陶瓷材料是以鈦酸鋇(BaTiO3)為主,其壓電性能低,制成的壓電變壓器升壓比很低,僅有50~60倍,輸出電壓僅為3kV,實(shí)用價(jià)值不大,未能引起人們的重視[8~12]。
隨著鋯鈦酸鉛(PbZrTiO3)等高機(jī)電耦合系數(shù)Kp和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm壓電陶瓷材料的出現(xiàn),壓電變壓器的研制才取得了顯著的進(jìn)展。目前已能生產(chǎn)升壓比為300~500,輸出功率50W以上的壓電變壓器。
20世紀(jì)80年代初,清華大學(xué)提出了多層獨(dú)石化壓電變壓器的創(chuàng)意及概念,并在國(guó)際上最早開展了多層壓電變壓器的研究。
4.2 壓電變壓器的結(jié)構(gòu)
壓電陶瓷變壓器最為常用的是長(zhǎng)條片狀結(jié)構(gòu),因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作容易,并且具有較高升壓比和較大的輸出功率。這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖5所示。
圖5 壓電變壓器的形狀和原理
整個(gè)長(zhǎng)條片型壓電陶瓷變壓器中分成兩部分:左半部的上、下兩面都有燒滲的銀電極,沿厚度方向極比,作為輸入端,稱為驅(qū)動(dòng)部分;右半部分的右端也有燒滲的銀電極,沿長(zhǎng)度方向極化,作為輸出端,稱為發(fā)電部分。
左半部分和右半部分兩片壓電陶瓷片緊緊牢固地結(jié)合在一起。
制備好的壓電陶瓷晶體在居里溫度下屬四方晶相多電疇結(jié)構(gòu),經(jīng)高壓電場(chǎng)極化后因電疇轉(zhuǎn)向,陶瓷體內(nèi)極化強(qiáng)度不為零而具有壓電性。當(dāng)在壓電陶瓷變壓器輸入端(驅(qū)動(dòng)部分)加上交變電壓時(shí),由于逆壓電效應(yīng),壓電陶瓷變壓器產(chǎn)生長(zhǎng)度方向上的伸縮振動(dòng),輸入的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 在發(fā)電部分由于存在縱向振動(dòng),通過正壓電效應(yīng),機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,因此在輸出端由電壓輸出。壓電陶瓷變壓器的能量轉(zhuǎn)換過程與電磁變壓器截然不同,是從電能到機(jī)械能又到電能的物理過程。
當(dāng)壓電陶瓷變壓器輸入端加上頻率為瓷片固有諧振頻率的交變電壓時(shí),通過逆壓電效應(yīng),瓷片產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng),將輸入電能轉(zhuǎn)變機(jī)械能;而發(fā)電部分則通過正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能從而輸出電壓,因瓷片的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度,故輸出端阻抗遠(yuǎn)大于輸入端阻抗,輸出端電壓遠(yuǎn)大于輸入端電壓,一般輸入幾伏到幾十伏的交變電壓,可以獲得幾千伏以上的高壓輸出。
4.3 壓電變壓器的特性
?。?)轉(zhuǎn)換效率高。滿載時(shí)達(dá)到97%以上(電阻性負(fù)載)。
?。?)超薄。能量密度很大,相應(yīng)體積可以做到很小,很薄。厚度一般不超過4mm,最適宜片式化。
(3)輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓,不受變壓器輸入波形畸變的影響。
?。?)對(duì)于低阻負(fù)載具有準(zhǔn)恒流輸出特性。
?。?)諧振變壓器??蓪?shí)現(xiàn)零電壓、零電流轉(zhuǎn)換。
(6)變壓器輸入輸出之間耐壓高,漏流小,一般情況下,變壓器的輸入輸出之間在3700VDC / 分下,漏流《20μA, 在3000VAC ∕ 分下,漏流﹤200μA。
?。?)變壓器自身具有很好的濾波功能。
?。?)變壓器具有短路自動(dòng)保護(hù)功能。
?。?)不產(chǎn)生反峰壓,可靠保護(hù)功率放大電路。
?。?0)沒有電磁干擾。 由于換能的過程是由機(jī)械振動(dòng)完成,并不是電磁轉(zhuǎn)換,不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI),也不會(huì)受到外界的電磁干擾。
?。?1)環(huán)境適用性強(qiáng),耐低溫、耐高溫、耐酸、耐堿、不會(huì)霉變,壽命長(zhǎng)??果}霧,耐候性好,尤其適于海洋性氣候使用。
?。?2)安全性好,可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成,沒有磁芯和繞組線圈,沒有磁飽和問題,不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀,也不怕潮濕。
4.4 壓電陶瓷變壓器存在一些不足
?。?)壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然輸出功率可達(dá)到20W乃至30~40W,但目前成熟產(chǎn)品的輸出功率不超過10W,故此僅適用小功率、小電流和高電壓領(lǐng)域。
(2)工作頻率范圍比較窄。只有當(dāng)輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時(shí),才有最大輸出電壓,如果偏離諧振頻率,電壓下降的幅度較大。
(3)壓電陶瓷變壓器所涉及的相關(guān)控制和驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜,這會(huì)使系統(tǒng)成本增加,可靠性變差。
?。?)對(duì)安裝固定與配置要求比較嚴(yán)格。壓電陶瓷變壓器有半波膜諧振和全波膜諧振兩種安裝狀態(tài)。在固定陶瓷片時(shí),支撐點(diǎn)必須選定在振動(dòng)位移為零處,即半波膜諧振的支撐點(diǎn)在陶瓷片的中間,全波模諧振的支撐點(diǎn)在距左端的1/4處,否則會(huì)影響升壓比和轉(zhuǎn)換效率。
4.5 壓電變壓器的應(yīng)用
壓電變壓器經(jīng)過30多年的發(fā)展,器件的材料、驅(qū)動(dòng)電路及控制電路均已發(fā)展成熟,目前已被應(yīng)用于筆記本電腦及手機(jī)的LCD的背光驅(qū)動(dòng)高壓源、直流開關(guān)電源和霓虹燈驅(qū)動(dòng)等方面。
?。?)驅(qū)動(dòng)冷陰極管
液晶顯示器顯示圖像時(shí)需要均勻的背光,背光由一支或多支冷陰極熒光燈管(CCCF)發(fā)光來提供。多層壓電變壓器的升降比高,高壓下工作不會(huì)擊穿,電磁干擾小,非常適合驅(qū)動(dòng)CCFL,近年來在LCD背光電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。
(2)DC-DC變換器
從低損耗的角度來講,能量轉(zhuǎn)換效率提高。符合嚴(yán)格的安全及噪聲規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。
(3)用于安全防爆系統(tǒng)中的電警棍、防盜網(wǎng)、提款箱、運(yùn)鈔車和保險(xiǎn)柜等。
?。?)影像管、液晶顯示器中的冷陰極管、霓虹燈管、激光管或X光管、高壓靜電噴涂、高壓靜電植絨和雷達(dá)顯示管。
(5)點(diǎn)火系統(tǒng)中的高壓脈沖點(diǎn)火器等以及影印機(jī)、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、靜電發(fā)生器、靜電復(fù)印機(jī)、醫(yī)療器材、空氣清新機(jī)、臭氧清毒柜以及軍事和航天設(shè)備等。
5 薄膜變壓器
5.1 概述
薄膜變壓器由于具有信號(hào)隔離和傳輸?shù)奶匦?,是不可缺少的電子元件。尤其是它具有信?hào)合成和信號(hào)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn),與其它電子器件和電路實(shí)現(xiàn)方式相比具有無可替代的優(yōu)勢(shì)[13~15]。
對(duì)此,20世紀(jì)90年代,國(guó)外研究人員已進(jìn)行了大量研究,如K. Yamasawa等用10μm厚的金屬薄膜作為磁芯制造功率變壓器,其效率達(dá)到78.0﹪。功率密度僅為3mW/cm2。
M. Yamaguchixi 等采用濺射CoNbZr合金制造出較高功率和效率的變壓器,工作在10MHz時(shí)達(dá)到60.0﹪的效率和0.8W/cm2的功率密度。而同樣通過濺射帶狀絲和非晶CoNbZr薄膜,日本H. Tsujimoto等構(gòu)造出4mm×9mm的一種新型薄膜變壓器一一針孔器件,在300MHz~900MHz頻率范圍內(nèi)有超過50﹪的傳輸效率。
H. S. midorikawa采用Z型線圈和Co-Zr磁芯,研究出應(yīng)于多層開關(guān)調(diào)節(jié)器的平面膜變壓器,在1MHz頻率工作時(shí)效率可達(dá)到77.5﹪。
愛爾蘭的Terence D’ Donnell等人研制了在5MHz~10MHz范圍內(nèi)輸出功率3.5W,傳輸效率達(dá)到82﹪的NiFe合金磁芯的薄膜變壓器。
另外A. H. Miklich等人探討了采用超導(dǎo)薄膜制作薄膜變壓器的相關(guān)問題及其可能的應(yīng)用。
5.2 一種PCB薄膜變壓器
電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室梁棟、張懷武采用倒園角矩形的螺旋繞線形式,利用柔性雙層PCB板,采用中間過孔方式加大線圈單位面積的繞線匝數(shù),以此有效增加單位面積上的電感量及耦合,制備出如圖6所示的面積為20mm×20mm,線寬0.2mm、線間距0.3mm,匝比為6:18的無芯變壓器。
圖6 薄膜變壓器設(shè)計(jì)圖
此無芯變壓器線圈表面已覆蓋絕緣層,采用直流磁控濺射,將軟磁薄膜鍍?cè)诖俗儔浩鞯纳舷聝擅?,所用軟磁薄膜為Co-Fe合金與Ni-Fe合金。所鍍薄膜厚度分別約為1.2μm(濺射時(shí)間15min)和15μm(濺射時(shí)間40min)。
研究了薄膜材料、膜厚等因素對(duì)該種變壓器性能的影響。結(jié)果表明,制得的薄膜PCB平面變壓器電感量在0.6~1.6μH,可以有效工作于4~14MHz的頻率范圍。
采用上述方法制備變壓器,可以把變壓器從三維變成兩維,從而為器件的表面貼裝打下基礎(chǔ),并同時(shí)滿足“更小、更輕、更薄”的要求。
5.3 小結(jié)
總的來說,薄膜變壓器總體上還是處于基礎(chǔ)性研究階段,還有著體積過大,傳輸效率與工作頻率難以相容等問題。
評(píng)論
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