压电陶瓷变压器在开关电源的应用分析

    随着电子技术的发展，各种便携式电子设备小型化、轻型化要求开关电源需满足轻、小、薄等要求。而在开关电源中，传统电磁式变压器和电感的体积和重量是整个电源的主要部分。尽管目前出现了平面电磁变压器，或能够集成PCB板上的小型变压器，在一定程度上能实现减小高度和尺寸的目的，但仍然难以满足轻、小、薄的要求。陶瓷变压器是基于电-机-电的工作机理，不存在绕组和磁芯，可以做的很薄，使电源轻、小、薄成为可能。与基于其电-磁-电能量转换机理的电磁变压器相比，拥有许多优势，如没有绕组线圈，不会受到电磁干扰和产生电磁干扰，压电陶瓷变压器制造可以完全实现自动化，成本低，绝缘等级高，且容易获得高的电压传输比，非常适合小功率高压输出场合。

1 压电陶瓷变压器
1．1 基本工作原理
    电磁式变压器是初级绕组和次级绕组通过电磁耦合来传递能量，而压电陶瓷变压器是借助压电陶瓷材料的“逆压电效应”和。正压电效应”实现。电能-机械能-电能”的转换，完成能量传递的目的。在这个能量传递过程中，首先是施加在压电陶瓷变压器的交流电能在“逆压电效应”的作用下转换成压电陶瓷材料的振动机械能，然后又在“正压电效应”作用下立即将这种机械能转换为交流电能输出。从能量转换的角度来看。“逆压电效应”相当于一台电动机，将电能转换为机械能；“正压电效应”相当于一台发电机，将机械能转换为电能。

    现以Rosen型中的一种压电陶瓷变压器来说明其工作原理，其结构如图1(a)所示。整个压电陶瓷变压器分为两部分，左半部分为输入端，其上下面有烧渗的阴极，沿厚度方向极化；右半部分为输出端，沿长度方向极化，右墙面有烧渗的阴极。在输入端施加交变电压时，如果交变电压的频率与压电陶瓷变压器的谐振频率相同或接近，则压电陶瓷变压器内部形成驻波，产生大幅度的应力和位移分布，如图l(b)所示；在压电陶瓷变压器的输出部分出现最大的应变，该应变则经由“正压电效应”转换为交变电压输出。
1．2 等效电路
    压电陶瓷变压器有纵向振动模式(Rosen型)、厚度振动模式、径向振动模式和弯曲振动模式等几种类型。其中升压型压电变压器以纵向振动模式(Rosen型)为代表，是目前应用最广的压电变压器，而降压输出场合常用的是厚度振动模式压电陶瓷变压器。
    纵向振动模式压电变压器结构图如图l(a)所示，上下两面涂覆银电极，沿厚度方向极化，称为驱动部分；银电极涂在右端，沿长度方向极化的右半部分称为发电部分。为了研究压电陶瓷变压器最优工作时需要的激励信号特性和与之相匹配的电路，用相应的电学元件等效其机械参数，其等效电路如图2(a)所示，其中Cdl为压电陶瓷变压器输入端的静电容，Cd2为压电陶瓷变压器输出端的静电容，R、L、C分别为压电陶瓷变压器的动态电阻、动态电感和动态电容。图2(b)为压电陶瓷变压器的频率特性，f0为压电陶瓷变压器的谐振频率。

    施加在压电陶瓷变压器的激励信号常是交变方波信号和正弦信号，对激励信号而言，任意波形信号均可用以下函数表示：
    
    则正弦波形函数表达式为：
    
    方波形函数表达式为：
    

    从图2(a)可知，压电陶瓷变压器是一个谐振体，图2(b)表示当激励信号的频率与变压器的谐振频率一致时，压电变压器处于谐振状态，从图l可知，此时延长度方向振幅最大，压电变化才最有效。因此需要施加在压电陶瓷变压器的激励信号频率与变压器谐振频率保持一致。
    把压电变压器等效成一个线性网络，施加方波信号在压电陶瓷变压器上，从式(3)可知，在压电陶瓷变压器上的响应为方波信号的各次谐波的响应叠加。若方波信号基波频率为压电陶瓷变压器的谐振频率，那么方波中的高次谐波作用时，压电陶瓷变压器处于非谐振状态，对压电变化的有效性没有积极作用，即这部分电能并没加强延长度方向的振幅。因此从电能利用率最大化角度考虑，施加在压电陶瓷变压器的激励信号需要正弦信号。
1．3 压电陶瓷变压器的特点
    由1．1、1．2小节可知，压电陶瓷变压器的结构和原理是全新的概念，与传统电磁变压器相比，其特点如下：
    (1)能实现体积小、重量轻、超薄型，最适宜片式化。
    (2)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，不存在磁饱和问题，不会因负载短路而烧毁。
    (3)功率转换效率一般可达95％，最高可达98％。
    (4)能量传输是以高频振动的压电方式实现的，不会产生电磁干扰(EMI)，也不会受到外界的电磁干扰。
    (5)不产生反峰电压，输出标准正弦波电压。
    (6)压电陶瓷变压器输出功率较小，目前成熟产品功率在10 W以内，但已研究出20 W的降压型多层片式压电陶瓷变压器。
    (7)开关电源采用压电陶瓷变压器，其电路必须与陶瓷变压器的参数相配合才能有效工作，因此可调性差，电路设计也较复杂。
    (8)压电陶瓷变压器的工作性能要受其安装工艺影响。

2 基于压电陶瓷变压器开关电源电路设计
2．1 主电路设计
    在选用传统电磁变压器的开关电源电路设计中，通常是根据其传输的功率、电源输入特点、输出特点，是否要求输入输出隔离等要求来选择工作电路的拓扑结构，再根据选用的电路结构，输出功率等要求设计电磁变压器，确定磁芯、绕组组数、线圈线径和匝数等各项参数。因此在设计电路参数时，基本没把电磁变压器参数考虑进去，只是在电源电路确定后才考虑变压器设计。根据1．2节压电陶瓷变压器等效电路的分析，压电变压器电源的电路设计需要把压电陶瓷变压器作为影响电路是否正常工作的一个重要因素，即在电路结构选择，电路参数确定，控制方式等方面，都需要考虑压电陶瓷变压器的作用。
    根据上述分析，压电陶瓷变压器的激励信号频率和负载对压电陶瓷变压器的转换效率影响很大，通常基于电压陶瓷变压器的开关电源主电路结构框图如图3所示。

    根据压电变压器的等效电路图2可知，当压电变压器处于谐振状态时，从输入端看进去，相当于一个容性负载。因此需要一个输入匹配电路来减小流入压电陶瓷变压器的电流，或者说来补偿容性阻抗。输入匹配电路的设计主要由压电陶瓷变压器的输入阻抗和开关变换电路的输出阻抗决定。
    基于压电陶瓷变压器开关电源的主电路结构与传统电磁开关电源的主电路结构一样，仍然有回扫逆变电路、推挽逆变电路、全桥逆变电路，半桥逆变电路几种拓扑结构。通过前面分析可知，压电陶瓷变压器需要施加正弦激励信号。如图4所示，回扫逆变电路仍需要电磁变压器来实现正弦信号生成。

    推挽逆变电路需要大电感来完成充电和放电，对采用压陶瓷变压器使小型化电源的优势不再存在。
    全桥逆变电路使用开关元件多，而对于压电陶瓷变压器半桥逆变电路，其主电路结构有几种方式(如图5所示)。图5(a)中需要借助压电陶瓷变压器才能完成零电压开关；图5(b)中的每个开关周期，谐振能量会在谐振环中流动，最终回送到输入当中去。这些送回去的能量越多，半导体开关器件承受的应力就越大，在电路中损失的能量也越多；图5(c)中串联电感，与变压器的静态电容一起，可以保证压电变压器工作在较好的状态，但在设计上存在一定限制。

    目前有一种LLC谐振半桥逆变电路，如图5(d)所示，具有实现原边两个主MOS开关管的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)功能，且进入压电陶瓷变压器的激励信号为正弦信号。
2．2 控制电路
    在实际应用过程中，压电陶瓷变压器的温度会发生变化，且所带的负载也随时在变化，这两个因素会引起压电陶瓷变压器的谐振频率发生变化。如果电源电路输出固定频率的激励信号，不能跟踪压电陶瓷变压器的谐振频率，那么压电陶瓷变压器谐振频率变化时，其转换效率因不能工作在谐振状态下大大降低，甚至不工作。因此要求主电路的输出频率能跟踪压电陶瓷变压器的谐振频率。目前频率跟踪方式如表1所示。

 

    在实际的应用中，如果电压调节范围比较大，虽然可通过PFM调节方法实现，但这种方法不仅调节范围窄，而且影响压电冉瓷变压器的最佳工作状态。因此在要求调节范围大的应用场合可通过PWM与PFM共同完成。

3 基于压电陶瓷变压器开关电源的实际应用
    从目前发展现状看，升压型压电陶瓷变压器超前于降压型压电变压器，其实用程度较为广泛。较为典型的应用是升压型压电陶瓷变压器在冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电源的应用。冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电源特点通常是输入电压低，输出电压很高，达到1 kV，但是输出功率比较小，为了得到较高的输出电压，传统的电磁变压器需要匝数数量较大，且绕组线径非常小，给制造带来一定难度，且存在安全隐患，而用压电陶瓷变压器很容易实现。升压型压电陶瓷变压器主要应用还有液晶显示器(LCD)背光照明、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中。而降压型压电陶瓷变压器主要应用有计算机、手机、摄像机等便携式电子设备的AC-DC适配器及各种DC-DC模块电源、各种超小型模块电源、手提充电器等。

4 结束语
    压电陶瓷变压器的特点使得采用压电陶瓷变压器的开关电源较为容易的解决了EMI、不能微型化等问题，且更容易实现自动化生产，广泛用于高压输出，或小功率输出场合。但如文章所述，压电陶瓷变压器必须工作在谐振状态，转换效率才能得到保证，因此压电陶瓷变压器的开关电源电路设计要求十分苛刻，需要配合压电陶瓷变压器，输出频率可调的正弦激励信号。