PDF《压电变压器的原理及其应用中的关键问题》

文章编号:

1000 -3630( 2003)

01 -0058 -03 压电变压器的原理及其应用中的关键问题 黄以华, 周康源, 陈昕, 胡耀辉 ( 中国科学技术大学电子工程与信息科学系, 合肥 230027) 摘要: 文章简要介绍了压电变压器的工作原理, 着重对压电变压器在应用过程中的关键技术问题做了研究与探 讨, 并根据压电变压器的特性设计制作出两种实用的电子线路.

关键词: 压电变压器;

冷阴极管驱动器;

直流变换器 中图分类号: TB565 文献标识码: A Principle of piezoelectric transform and key issues in applications HUANG Y- i hua, ZHOU Kang -yuan, CHEN Xin, HU Yao -hui ( Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: The principle of piezoelectric transform is briefly introduced. The key techniques involved in the applicat ions of piezoelectric t ransforms are studied. Design and construction of two practical circuits based upon piezoelectric transforms are described. Key words: piezoelectric transformer;

CCFL driver;

DC -DC converter 收稿日期:

2001 -02 -22;

修回日期:

2001 -

04 -16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 59877023) 作者简介: 黄以华(

1973 - ) , 男, 福建省福清市人, 博士研 究生, 主要从 事超声固态电子器件的研究.

1 引言压电变压器是一种工作在音频或超音频范围内 的声学电子器件, 在结构、 原理和所用的材料上与传 统的电磁式变压器完全不同.压电变压器最早由 C. A. Rosen [ 1] 于1957 年发明, 其特点为: ( 1) 结构简 单、 体积小、 重量轻;

( 2) 无电磁干扰, 无需电磁屏蔽;

( 3) 安全性高、 无绕组、 不会起火燃烧;

( 4) 效率高、 能 量密度大( 100kHz 谐振条件下, 330w / cm3[ 2] ) .但是90 年代以前, 由于压电陶瓷材料在功率和可靠性 等方面的原因, 压电变压器的发展曾一度停滞不前. 近年来, 信息处理设备和通讯设备日益小型化的发 展, 对微型化开关电源的需求越来越高, 而微型化的 主要方法就是提高电源的开关频率, 这样一方面可 有效减小变压器的重量和体积, 另一方面也可有效 减小整流电路元件的尺寸.但是电磁变压器在高频 下应用有很多缺点, 如高频下磁性材料的磁滞损耗、 涡流损耗和导体趋肤效应产生的损耗急剧增加, 所 以电磁变压器很难微型化.但是压电变压器在高频 范围仍具有高能量密度、 无铜损、 无电磁干扰等优 点, 加之功能陶瓷材料的迅猛发展, 压电变压器重新 得以重视, 国际上的许多大公司和研究机构如 Mo - torola、 Philips、 NEC、 Epson、 Tokin、 东京工业大学、 Siemens、 Smart Materials 实验室和德克萨斯仪器公 司( TI) 均对压电变压器的材料制备、 新型结构设计 及器件性能进行深入研究.

2 基本原理及特性 尽管目前有各种各样的压电变压器[ 2~ 5] , 但在 实用产品中最常用的仍为 Rosen 型( 图1) .整个压 电变压器可分为两部分: 左半部为输入端, 其上下表 面有烧渗的银极, 沿厚度方向极化;

右半部为输出 端, 沿长度方向极化, 右端面有烧渗的银极.当输入 端施加交变的电压时, 通过横向逆压电效应, 使压电 变压器产生纵向伸缩振动, 如果输入的交变电压的 频率同压电变压器的谐振频率相同, 则压电变压器 内部形成驻波, 产生较大幅度的应力和应变, 二者的 分布如图 2.在压电变压器的右端( 即输出部分) , 出现最大的应变, 此应变经由正压电效应转换为电 压输出.由于压电变压器的长度大于厚度, 故输入 端为低阻抗, 输出端为高阻抗, 以此达到升压的目 的.目前的 Rosen 型变压器输入几伏到几十伏的交 变电压就可得到几千伏以上的高压.空载情况下, 压电变压器在谐振频率上的升压比为: Vo Vi =

4 2 Qmk31 k33 L t (1) 式中 Vo Vi 为空载时的升压比, Qm 为材料的机械品质

58 22 卷1期( 2003) 因数, k

31、 k33为材料的机电耦合系数, L 为压电变 压器的全长, t 为压电变压器的厚度.由(1) 式可 知, 适当改变压电变压器的长厚比及选择高 k

31、 k33 和Qm 的材料可提高压电变压器的升压比. 图1Rosen 型压电变压器 ( a) 半波模式 (b) 全波模式 图2振动模式 为了能够正确合理地使用压电变压器, 必须了 解其主要特性, 其中负载特性及谐振特性的测试结 果如图

3 所示.从测试曲线可以观察到, 随着负载 阻抗的逐渐减小, 压电变压器的谐振频率有所下降, 如图 3( a) 所示.图3( b) 显示了压电变压器的频率 谐振特性, 从图中可以看出, 压电变压器相当于一个 具有放大功能的窄带滤波器, 只有当输入电压的频 率接近压电变压器的谐振频率时, 此电压才被大幅 放大, 当输入的电压频率偏离压电变压器的谐振频 率较大时( 1kHz) , 放大倍数大大降低. ( a) 负载特性 ( b) 谐振特性 图3特性曲线

3 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.本文对压电变压 器的前两种应用中的关键技术作了研究, 具体情况 阐述如下. 3.

1 CCFL 驱动器 压电变压器最典型的应用之一就是驱动 CCFL (cold cathode fluorescent lamp, 冷阴极管.下同) , 因为 CCFL 的工作特性非常适合于压电变压器的特 性, 即输出阻抗高、 输出电流小、 输出电压随阻抗变 化大等.而CCFL 在启动时需要 1000V 左右的高 压, 平稳工作状态下需 400V~ 500V 左右的电压, 其 阻抗较启动时下降数十千欧.此外, CCFL 对电流 的要求不高, 一般为 5mA~ 6mA.CCFL 的这些特 性恰好与压电变压器的上述特性相符.在实际应用 压电变压器时, 必须解决以下几个关键技术问题: ( 1) 选择合适的材料;

( 2) 振动模式的选择;

( 3) 器件 的安装;

( 4) 驱动与控制电路的设计. 3. 1.

1 选择合适的材料 理论分析表明[ 6] , 压电变压器在工作时本身所 受到的机械应力是制约其工作效能的主要因素, 所 以材料的机械强度要特别高.为了满足这一要求, 应当选择微细晶粒的材料.另外材料的耦合系数 ( k

31、 k33) 要大.最终选定的 PZT 材料的参数如表

1 所示. 表1材料参数 d31 [ 10-

12 C/ N] d

33 [ 10-

12 C/ N] k

31 k33 [ g/ cm3 ] T

33 /

0 -

163 419 42% 75% 7.

7 2100 3. 1.

2 振动模式的选择 通常情况下, 压电变压器工作在半波模式或全 波模式( 图2的( a) 、 ( b) ) .半波模式的零应变点在 器件的中点, 全波模式的零应变点有两处, 分别位于 距器件左右两端 l/

4 处, l 为器件的长度.考虑全 波模式安装方便, 更重要的是其升压比和转换效率 高, 所以采用此模式. 3. 1.

3 器件的安装 本文中的压电变压器尺寸为 48mm 8mm 2mm, 安装在 55mm 10mm 4mm 的支架上, 如图

59 声学技术

4 所示.支架由上下对称的两部分构成, 每部分由 金属壳体和三棱型支撑物组成.金属壳体有利于散 热.为满足 UL( 美国安全检定公司, 是一个独立的、 非盈利的、 为公共安全做试验的专业机构) 和IEC ( 国际电工委员会) 等标准, 支撑物采用 UL -94V-0 级阻燃材料加工而成, 粘结于金属壳体上, 间距为 l / 2, l 为器件的长度.金属壳体的两端各有一个小 镙栓, 用于将支架固定于驱动电路印刷板上, 同时可 以调节支撑物对器件的压紧力. 3. 1.

4 驱动与控制电路的设计 压电变压器驱动电压的频率需要与压电变压器 的谐振频率保持一致, 而实际上, 压电变压器的谐振 频率会因负载阻抗、 环境温度、 元件尺寸及其误差的 影响而变化.为了得到最佳输出, 需跟踪压电变压 器谐振频率的变化从而对驱动电压的频率进行自动 调整, 所以驱动与控制电路的方案如图

5 所示. 图4支架 图5CCFL 驱动器 门 驱动 部分 提供50% 占 空比 的 方波, 使VM OS1 和VMOS2 轮流导通, 为压电变压器提供交 变的激励电压, 此电压经压电变........