壓電陶瓷變壓器在開關(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。在此基礎(chǔ)上，重點對應(yīng)用壓電陶瓷變壓器的開關(guān)電源主電路，控制電路特點進行了分析，并簡單介紹了壓電陶瓷變壓器目前在不同產(chǎn)品的開關(guān)電源中的實際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：開關(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、輕型化要求開關(guān)電源需滿足輕、小、薄等要求。而在開關(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-電的工作機理，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)換機理的電磁變壓器相比，擁有許多優(yōu)勢，如沒有繞組線圈，不會受到電磁干擾和產(chǎn)生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實現(xiàn)自動化，成本低，絕緣等級高，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繞組和次級繞組通過電磁耦合來傳遞能量，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)”實現(xiàn)。電能-機械能-電能”的轉(zhuǎn)換，完成能量傳遞的目的。在這個能量傳遞過程中，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機械能，然后又在“正壓電效應(yīng)”作用下立即將這種機械能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看。“逆壓電效應(yīng)”相當于一臺電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；“正壓電效應(yīng)”相當于一臺發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

    現(xiàn)以Rosen型中的一種壓電陶瓷變壓器來說明其工作原理，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。整個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，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l(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模式(Rosen型)、厚度振動模式、徑向振動模式和彎曲振動模式等幾種類型。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動模式(Rosen型)為代表，是目前應(yīng)用最廣的壓電變壓器，而降壓輸出場合常用的是厚度振動模式壓電陶瓷變壓器。
    縱向振動模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖如圖l(a)所示，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動部分；銀電極涂在右端，沿長度方向極化的右半部分稱為發(fā)電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時需要的激勵信號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態(tài)電阻、動態(tài)電感和動態(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。

[!--empirenews.page--]
    施加在壓電陶瓷變壓器的激勵信號常是交變方波信號和正弦信號，對激勵信號而言，任意波形信號均可用以下函數(shù)表示：
    
    則正弦波形函數(shù)表達式為：
    
    方波形函數(shù)表達式為：
    

    從圖2(a)可知，壓電陶瓷變壓器是一個諧振體，圖2(b)表示當激勵信號的頻率與變壓器的諧振頻率一致時，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖l可知，此時延長度方向振幅最大，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信號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線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號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)為方波信號的各次諧波的響應(yīng)疊加。若方波信號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，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對壓電變化的有效性沒有積極作用，即這部分電能并沒加強延長度方向的振幅。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信號需要正弦信號。
1．3 壓電陶瓷變壓器的特點
    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，其特點如下：
    (1)能實現(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，沒有磁芯和繞組，不存在磁飽和問題，不會因負載短路而燒毀。
    (3)功率轉(zhuǎn)換效率一般可達95％，最高可達98％。
    (4)能量傳輸是以高頻振動的壓電方式實現(xiàn)的，不會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，也不會受到外界的電磁干擾。
    (5)不產(chǎn)生反峰電壓，輸出標準正弦波電壓。
    (6)壓電陶瓷變壓器輸出功率較小，目前成熟產(chǎn)品功率在10 W以內(nèi)，但已研究出20 W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。
    (7)開關(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關(guān)電源電路設(shè)計
2．1 主電路設(shè)計
    在選用傳統(tǒng)電磁變壓器的開關(guān)電源電路設(shè)計中，通常是根據(jù)其傳輸?shù)墓β?、電源輸入特點、輸出特點，是否要求輸入輸出隔離等要求來選擇工作電路的拓撲結(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)等各項參數(shù)。因此在設(shè)計電路參數(shù)時，基本沒把電磁變壓器參數(shù)考慮進去，只是在電源電路確定后才考慮變壓器設(shè)計。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信號頻率和負載對壓電陶瓷變壓器的轉(zhuǎn)換效率影響很大，通常基于電壓陶瓷變壓器的開關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    根據(jù)壓電變壓器的等效電路圖2可知，當壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時，從輸入端看進去，相當于一個容性負載。因此需要一個輸入匹配電路來減小流入壓電陶瓷變壓器的電流，或者說來補償容性阻抗。輸入匹配電路的設(shè)計主要由壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗和開關(guān)變換電路的輸出阻抗決定。
    基于壓電陶瓷變壓器開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁開關(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撲結(jié)構(gòu)。通過前面分析可知，壓電陶瓷變壓器需要施加正弦激勵信號。如圖4所示，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來實現(xiàn)正弦信號生成。

    推挽逆變電路需要大電感來完成充電和放電，對采用壓陶瓷變壓器使小型化電源的優(yōu)勢不再存在。[!--empirenews.page--]
    全橋逆變電路使用開關(guān)元件多，而對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關(guān)；圖5(b)中的每個開關(guān)周期，諧振能量會在諧振環(huán)中流動，最終回送到輸入當中去。這些送回去的能量越多，半導(dǎo)體開關(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)計上存在一定限制。

    目前有一種LLC諧振半橋逆變電路，如圖5(d)所示，具有實現(xiàn)原邊兩個主MOS開關(guān)管的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)功能，且進入壓電陶瓷變壓器的激勵信號為正弦信號。
2．2 控制電路
    在實際應(yīng)用過程中，壓電陶瓷變壓器的溫度會發(fā)生變化，且所帶的負載也隨時在變化，這兩個因素會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信號，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，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。

    在實際的應(yīng)用中，如果電壓調(diào)節(jié)范圍比較大，雖然可通過PFM調(diào)節(jié)方法實現(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)用場合可通過PWM與PFM共同完成。

3 基于壓電陶瓷變壓器開關(guān)電源的實際應(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)動電源的應(yīng)用。冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動電源特點通常是輸入電壓低，輸出電壓很高，達到1 kV，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，給制造帶來一定難度，且存在安全隱患，而用壓電陶瓷變壓器很容易實現(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、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)用有計算機、手機、攝像機等便攜式電子設(shè)備的AC-DC適配器及各種DC-DC模塊電源、各種超小型模塊電源、手提充電器等。

4 結(jié)束語
    壓電陶瓷變壓器的特點使得采用壓電陶瓷變壓器的開關(guān)電源較為容易的解決了EMI、不能微型化等問題，且更容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，廣泛用于高壓輸出，或小功率輸出場合。但如文章所述，壓電陶瓷變壓器必須工作在諧振狀態(tài)，轉(zhuǎn)換效率才能得到保證，因此壓電陶瓷變壓器的開關(guān)電源電路設(shè)計要求十分苛刻，需要配合壓電陶瓷變壓器，輸出頻率可調(diào)的正弦激勵信號。