压电变压器 - 电子变压器的技术发展趋势

　　4 压电变压器

　　4.1 概述

　　压电变压器是20世纪50年代后期开始研制的一种新型压电器件，最早由C. A. Rosen于1956年发明。即时的压电陶瓷材料是以钛酸钡（BaTiO3）为主，其压电性能低，制成的压电变压器升压比很低，仅有50~60倍，输出电压仅为3kV，实用价值不大，未能引起人们的重视［8~12］。

　　随着锆钛酸铅（PbZrTiO3）等高机电耦合系数Kp和高机械品质因数Qm压电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著的进展。目前已能生产升压比为300~500，输出功率50W以上的压电变压器。

　　20世纪80年代初，清华大学提出了多层独石化压电变压器的创意及概念，并在国际上最早开展了多层压电变压器的研究。

　　4.2 压电变压器的结构

　　压电陶瓷变压器最为常用的是长条片状结构，因其结构简单，制作容易，并且具有较高升压比和较大的输出功率。这种压电陶瓷变压器的形状如图5所示。

　　图5 压电变压器的形状和原理

　　整个长条片型压电陶瓷变压器中分成两部分：左半部的上、下两面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极比，作为输入端，称为驱动部分;右半部分的右端也有烧渗的银电极，沿长度方向极化，作为输出端，称为发电部分。

　　左半部分和右半部分两片压电陶瓷片紧紧牢固地结合在一起。

　　制备好的压电陶瓷晶体在居里温度下属四方晶相多电畴结构，经高压电场极化后因电畴转向，陶瓷体内极化强度不为零而具有压电性。当在压电陶瓷变压器输入端（驱动部分）加上交变电压时，由于逆压电效应，压电陶瓷变压器产生长度方向上的伸缩振动，输入的电能转换成机械能。 在发电部分由于存在纵向振动，通过正压电效应，机械能转换成电能，因此在输出端由电压输出。压电陶瓷变压器的能量转换过程与电磁变压器截然不同，是从电能到机械能又到电能的物理过程。

　　当压电陶瓷变压器输入端加上频率为瓷片固有谐振频率的交变电压时，通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变机械能;而发电部分则通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压，因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入端阻抗，输出端电压远大于输入端电压，一般输入几伏到几十伏的交变电压，可以获得几千伏以上的高压输出。

　　4.3 压电变压器的特性

　　（1）转换效率高。满载时达到97%以上（电阻性负载）。

　　（2）超薄。能量密度很大，相应体积可以做到很小，很薄。厚度一般不超过4mm，最适宜片式化。

　　（3）输出标准正弦波电压，不受变压器输入波形畸变的影响。

　　（4）对于低阻负载具有准恒流输出特性。

　　（5）谐振变压器。可实现零电压、零电流转换。

　　（6）变压器输入输出之间耐压高，漏流小，一般情况下，变压器的输入输出之间在3700VDC / 分下，漏流《20μA， 在3000VAC ∕ 分下，漏流﹤200μA。

　　（7）变压器自身具有很好的滤波功能。

　　（8）变压器具有短路自动保护功能。

　　（9）不产生反峰压，可靠保护功率放大电路。

　　（10）没有电磁干扰。 由于换能的过程是由机械振动完成，并不是电磁转换，不会产生电磁干扰（EMI），也不会受到外界的电磁干扰。

　　（11）环境适用性强，耐低温、耐高温、耐酸、耐碱、不会霉变，寿命长。抗盐雾，耐候性好，尤其适于海洋性气候使用。

　　（12）安全性好，可靠性高。它采用不燃烧的压电陶瓷制成，没有磁芯和绕组线圈，没有磁饱和问题，不会因负载短路而烧毁，也不怕潮湿。

　　4.4 压电陶瓷变压器存在一些不足

　　（1）压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然输出功率可达到20W乃至30~40W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，故此仅适用小功率、小电流和高电压领域。

　　（2）工作频率范围比较窄。只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时，才有最大输出电压，如果偏离谐振频率，电压下降的幅度较大。

　　（3）压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂，这会使系统成本增加，可靠性变差。

　　（4）对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波膜谐振和全波膜谐振两种安装状态。在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零处，即半波膜谐振的支撑点在陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处，否则会影响升压比和转换效率。

　　4.5 压电变压器的应用

　　压电变压器经过30多年的发展，器件的材料、驱动电路及控制电路均已发展成熟，目前已被应用于笔记本电脑及手机的LCD的背光驱动高压源、直流开关电源和霓虹灯驱动等方面。

　　（1）驱动冷阴极管

　　液晶显示器显示图像时需要均匀的背光，背光由一支或多支冷阴极荧光灯管（CCCF）发光来提供。多层压电变压器的升降比高，高压下工作不会击穿，电磁干扰小，非常适合驱动CCFL，近年来在LCD背光电源中获得了广泛的应用。

　　（2）DC-DC变换器

　　从低损耗的角度来讲，能量转换效率提高。符合严格的安全及噪声规格标准。

　　（3）用于安全防爆系统中的电警棍、防盗网、提款箱、运钞车和保险柜等。

　　（4）影像管、液晶显示器中的冷阴极管、霓虹灯管、激光管或X光管、高压静电喷涂、高压静电植绒和雷达显示管。

　　（5）点火系统中的高压脉冲点火器等以及影印机、激光打印机、传真机、静电发生器、静电复印机、医疗器材、空气清新机、臭氧清毒柜以及军事和航天设备等。

　　5 薄膜变压器

　　5.1 概述

　　薄膜变压器由于具有信号隔离和传输的特性，是不可缺少的电子元件。尤其是它具有信号合成和信号转换的特点，与其它电子器件和电路实现方式相比具有无可替代的优势［13~15］。

　　对此，20世纪90年代，国外研究人员已进行了大量研究，如K. Yamasawa等用10μm厚的金属薄膜作为磁芯制造功率变压器，其效率达到78.0﹪。功率密度仅为3mW/cm2。

　　M. Yamaguchixi 等采用溅射CoNbZr合金制造出较高功率和效率的变压器，工作在10MHz时达到60.0﹪的效率和0.8W/cm2的功率密度。而同样通过溅射带状丝和非晶CoNbZr薄膜，日本H. Tsujimoto等构造出4mm×9mm的一种新型薄膜变压器一一针孔器件，在300MHz~900MHz频率范围内有超过50﹪的传输效率。

　　H. S. midorikawa采用Z型线圈和Co-Zr磁芯，研究出应于多层开关调节器的平面膜变压器，在1MHz频率工作时效率可达到77.5﹪。

　　爱尔兰的Terence D’ Donnell等人研制了在5MHz~10MHz范围内输出功率3.5W，传输效率达到82﹪的NiFe合金磁芯的薄膜变压器。

　　另外A. H. Miklich等人探讨了采用超导薄膜制作薄膜变压器的相关问题及其可能的应用。

　　5.2 一种PCB薄膜变压器

　　电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室梁栋、张怀武采用倒园角矩形的螺旋绕线形式，利用柔性双层PCB板，采用中间过孔方式加大线圈单位面积的绕线匝数，以此有效增加单位面积上的电感量及耦合，制备出如图6所示的面积为20mm×20mm，线宽0.2mm、线间距0.3mm，匝比为6:18的无芯变压器。

　　图6 薄膜变压器设计图

　　此无芯变压器线圈表面已覆盖绝缘层，采用直流磁控溅射，将软磁薄膜镀在此变压器的上下两面，所用软磁薄膜为Co-Fe合金与Ni-Fe合金。所镀薄膜厚度分别约为1.2μm（溅射时间15min）和15μm（溅射时间40min）。

　　研究了薄膜材料、膜厚等因素对该种变压器性能的影响。结果表明，制得的薄膜PCB平面变压器电感量在0.6~1.6μH，可以有效工作于4~14MHz的频率范围。

　　采用上述方法制备变压器，可以把变压器从三维变成两维，从而为器件的表面贴装打下基础，并同时满足“更小、更轻、更薄”的要求。

　　5.3 小结

　　总的来说，薄膜变压器总体上还是处于基础性研究阶段，还有着体积过大，传输效率与工作频率难以相容等问题。