PDF《压电变压器材料、工作原理及其应用举例》

2015.

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101 ・磁性元件与电源 2!?? 实现电子元器件的小型、轻量、低高度和低功耗是信 息产业及其产品发展的普遍要求.电子电器产品中,电子 变压器不可或缺.传统的电磁变压器对上述要求很难满足, 因此,压电陶瓷变压器得以快速发展和被广泛应用.压电 陶瓷变压器与传统的电磁变压器比较,具有高的升压比和 小的体积,并且不产生电磁干扰. 在上世纪

60 年代,压电变压器已得到应用,主要应用 于需要绝缘电阻高、耐压性能好的黑白电视机的阴极射线管 高压电源上,而其主要采用 Rosen 型横纵式结构,当时曾有 较好的发展.随着黑白电视机转向发展彩色电视机,彩电的 变压器输出功率要求大于 30W.因当时的压电材料及压电 变压器生产的工世技术水平的限制,无法开发出大功率的压 电陶瓷变压器,为此使压电变压器的研究发展陷入了滞缓状 态.直到上世纪

90 年代,压电材料及压电器件的研发条件 有了改善, 使压电变压器的输出功率达到了 65W 以上. 同时, 随着多种轻小型化电子设备如手机、数码相机、打印机、便 携式电脑的广泛应用,具有高升压比、功率损耗小的压电变 压器有了更多新的应用领域,因此也进一步得到发展. 3!?????????????? 压电变压器的核心材料是具有压电效应的钙钛矿型压 电陶瓷材料.压电变压器正是凭借铁电材料将电能和机械 能之间进行能量转换的压电效应来实现升降压的.压电效 应是因为晶体在机械力的作用下发生形状变化时所引起带 电粒子的相互位移而产生了晶体的总电矩发生变化而形成 的.与压电效应相反的逆压效应则是晶体在电场的作用下, 引起带电粒子的相互位移而使晶体发生形变的过程. 压电效应的发现,可以追溯到

1880 年居里兄弟首先 发现的单晶体的压电效应.自那以后,人们发现在自然界 中的

32 种晶体群中,有20 种为非中心对称的晶体.由于 非中心对称的晶体介质之极性是固有的,所以它们都存在 压电效应.但压电效应真正被用来开发产品则是在具有很 强压电效应的钛酸钡 (BaTiO3) 陶瓷材料出现以后.因为在 BaTiO3 陶瓷材料研发过程中,科学家探讨了它们的介电常 数和极化性能.BaTiO3 压电陶瓷首先被开发成了留声机拾 音器,然后出现了换能器、滤波器等等. 对于制作压电陶瓷变压器的材料,要求具备下列性能 特点 : 高的机电耦合系数和品质因数 ;

具有良好的温度稳定 性和时间稳定性;

具有优良的机械强度;

良好的频率稳定性. 压电陶瓷初期的二元锆钛酸铅系 (PZT) 的性能并不能满足这 些要求,于是掺杂了其它元素的三元系和四元系压电陶瓷或 以PT(PbTiO3) 为主体的多元系压电陶瓷被开发出来,其中 的PT 由于其具有高的 kt/kp,能够有效地消除寄生振荡.总之,掺杂可以得到以下好处 ;

首先可减少 pbo 的挥发 ;

其次 是提高了材料的机械品质因数和机电耦合系数 ;

三是提高了 压电变压器材料、工作原理及其应用举例 Materials Operating Principle and It Applications of Piezoelectric Transformer 高奋效 供稿 摘要:压电变压器是利用压电陶瓷材料自身的压电效应和逆压电效应来实现升降压的电子器件,相对于传统电磁变压 器而言, 其具有升压比高、 体积小, 无电磁噪音污染等优点.文章介绍压电变压器及其所用铁电陶瓷材料的性能, 技术参数和发展,阐述压电陶瓷变压器的工作原理,一般等效电路和若干形式的压电变压器及其应用,并对其 发展作简要分析. 关键词 : 压电变压器,压电陶瓷,技术参数,应用 中图分类号 : TM4 文献标识码 : B 文章编号 : 1606-7517(2015)05-8-101

102 2015.05 ・ 磁性元件与电源 材料的稳定性. 表1列出了掺杂不同离子对材料的影响情况. 对于压电变压器而言,第三组元一般选用使降低,增加的受 主离子添加物.如果压电材料是四元系的,则一般是其一种 组元选用受主添加物,另一种选用施主添加物,似便得到高 K 和高 Qm 的压电材料.参考资料介绍了利用掺杂的办法制 备出了高性能的四元系压电陶瓷材料 PMMN-PZT.其分子 式为 : pb1-0.02(Mg1/3 Nb2/3)A(Mn1/3 Nb2/3)BTiCZrD O3+0.02mol% Sr(D=9A,C=D,A+B+C+D=1),其性能参数为 K33 ≈ 0.73, K31 ≈ 10.31, Qm ≈ 3500, tgδ ≈ 0.002%.正是使用这种材料, 制成了功率高达 65W 的叠层式压电变压器.参考资料利用 (pb0.76 Ca0.24)[(Co0.5W0.5)Ti0.96]O3+1.5mol% MnO2(K=0.49) 材料设 计制作了工作频率为 1.56MHz、振动模式为厚度振动的叠层 式压电变压器. 随着电子工业与电子产品的发以及人类对环境保护要 求与人类社会可持续发的需要,研发新型环境友好的压电 陶瓷材料已成为各发达国家关注的目标.2001 年,欧洲议 会通过的两项新环保指令中《关于在电气电子设备中限制 使用某些有害物质指令》(ROHS),规定在

2006 年7月1日以后投放欧盟市场的电气和电子产品中不得含有铅、汞、 镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚

6 种有害物质.对压 电变压器而言,其铅元素可以申请豁免,但其它五种物质 绝对禁止使用.因此,开发限制铅元素的压电陶瓷材料就 成了压电变压器发展的决定因素.目前,无铅压电陶瓷材 料主要有含铋层状结构和 NBT(NaTiO3) 基两大类. 4!???????????? 压电陶瓷变压器与传统的电磁式变压器比较,其工 作原理、所用材料、产品结构以及制造工艺技术均不相 同.电磁式变压器的能量变换方式是电―磁―电,其所用 主材是磁性材料和导电材料,分别用作磁芯和绕组 ;

而压 电陶瓷变压器所用的主材是二元系压电陶瓷材料 (PZT) 如 锆钛酸铅、三元系压电陶瓷材料 (PCM、PSM)―即在 PZT 基础上添加了其它元素的材料以及四元系压电陶瓷材料 (PMMN) 等,它们经高温烧结和高压极化而制成产品.压 电陶瓷变压器是通过电―机―电的耦合过程实现升降压的, 其过程涉及两次能量耦合.具体地说,压电变压器是利用 压电陶瓷材料的特性――正压电效应和逆压电效应,即该 材料在力的作用下(或材料变形时)产生电荷或电压(正 压电效应) ;

而逆压电效应是施加电压时,该材料产生变形 或振动.所以,压电陶瓷变压器的工作原理就是利用压电 陶瓷的正、逆压电效应特性,通过对压电陶瓷体的电极和 极化方向取向的设计,利用逆压电效应使得与输入端相连 接的压电陶瓷体在电压作用下产生机械振动,再通过正压 电效应使与输出端连接的压电陶瓷体产生电压.当输入端 和输出端的阻抗不相等时,将导致其两端的电压与电流也 不相等,因此实现了输入端和输出端之间电流与电压大小 变换的功能.图1所示为压电变压器的工作原理框图 ;

图2为电磁变压器和压电变压器原理图. 电磁变压器的工作原理如图 2(a) 所示,大家熟悉,此表1 掺杂离子分类及其对材料性能的影响 等价 MgO、CaO、SrO、BaO等碱土金属(取代Pb2+ ),Sn4+ 、 Hf4 等(取代Ti4+ 、Zr4+ ) 等离子添加物的影响视不同离子而定.但都有以下特性:Tc↓. ε↑.d↑,c/a↓. 施主 La2O

3、Nd2O

3、Bi2O

3、Sb2O

3、Nb2O

5、Ta2O

5、WO

3、ThO2 电容率↑、机电耦合因数↑、机械品质因数↓、老化率↓. 受主 Fe2O

3、CoO 电容率↓、频率常量↑、机械品质数↑、老化率↑. 变价 Cr2O

3、U2O

3、MnO2 电容率↓、频率常量↑、机械品质因数↑、温度系数↓、老化率↓. 图1压电变压器工作原理框图 图2电磁变压器和压电变压器工作原理示图 2015.05

103 ・磁性元件与电源 不赘述.由图

1 所示压电变压器的工作原理框图可知,驱 动压电振子在输入信号的驱动下,实现着电能到机械能的 转换 ;

由于输入的是交流信号,因此机械能以波的形式从 输入端传到输出端 ;

发电振子在振动的激励下,实现着机 械能到电能的转换. 由此可见,压电变压器的工作原理完全不同于电磁变 压器.从能量转换的角度而言,电磁变压器是以磁芯为媒 介,将磁场能从原边向副边传递.而压电变压器是以陶瓷 片为媒介,将机械能从输入端传递到输出端.以图 2(b) 的Rosen 型压压变压器为例,当其工作于串联谐振频率时, 其工作机理可以简单地描述为 ;

当输入电极接上交流电压 后,电压在压电陶瓷片中产生一个交变的应变场,应变场 在输出电极上产生交变电压,如果不考虑........