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压电陶瓷变压器及其应用(图)(1)

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-01-06  浏览次数:2903
       a.压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W(如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上,谐振频率为140KHz,在20W时的转换效率为97%)乃至30~40W,但目前成熟产品的输出功率不超过10W,因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。
  
  b.只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时,才有最大的输出电压,如果偏离谐振频率,电压下降的幅度较大。因此,压电陶瓷变压器与传统绕线式变压器不同,其工作频率范围比较窄。

 

  c.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。

  d.对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波模谐振和全波模谐振两种安装状态,如图7所示。在固定陶瓷片时,支撑点必须选定在振动位移为零处,即半波模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。

  3、压电陶瓷变压器的应用及其配套电路

  3.1 应用领域

  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。升压型压电陶瓷变压器的主要应用有:冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电路、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;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。

  压电陶瓷变压器符合电子产品向小型化、轻量化、薄型化、高效化和高可靠等方面发展的要求,其应用前景令人乐观,在高压、低功率、小电流领域中有着比较大的显在市场和潜在市场。

  3.2 配套驱动电路举例

 

  压电陶瓷变压器的驱动电路有单端单开关、推挽、半桥和半桥四种驱动方式,其中单端驱动电路适用于驱动小功率压电陶瓷变压器。图8所示为基于DIT8545专用控制IC的LCD背光源冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电路。图中,CT为压电陶瓷变压器,通过适当选择IC(DIT8545)②脚上R1和①脚上C2值,使IC输出频率为CT的谐振频率相一致。如果CT工作效率为135kHz,可以选取R1=13.8kΩ,C2=470PF。当IC⑨脚上的输出驱动开关VT1导通时,电流通过电感器L1存储能量;当VT1关断时,L1中的储能释放,在L1中产生一个反电势脉冲加到压电变压器的输入端(即1、2端),于是在其输出端产生一个正弦波高电压为CCFL供电。因此,图8所示的电路是一种DC-AC转换器,它将3~13.5V的直流电压转换为高频高电压。CT的输出电压和输出电流大小视CCFL规格而定,在一般情况下,CCFL的工作电压范围为200~600V,输出电流为2~8mA。图8中的RV1、R8、VD2、C7和R9组成灯开路检测电路,R7(灯电流传感电阻)、VD1、C6、R6组成灯电流检测电路,IC还提供开/关控制及模拟调光等功能。

         图9所示为单端驱动的高压电源原理图。该电路是一个DC-DC升压变换器,压电陶瓷变压器KH3005尺寸为30mm×5mm×6mm,谐振频率为55kHz,输出额定功率为3.5W,其输入脉冲幅度为电源电压VCC的2倍,输出高频电压经VD1和VD2整流及电容C滤波,产生约3000V的DC电压。

 


图9  高压电源原理图

  4、压电陶瓷变压器发展趋势

  与其它陶瓷元器件一样,日本在压电陶瓷变压器方面拥有非常雄厚的技术实力,NEC、Tamura、日本金属、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata)、Panasonic、TOTO、京瓷(Kyocera)、东京工业大学、山形大学等公司和研究机构都卷入到压电陶瓷变压器的研发。美国宾州州立大学智能材料实验室、德州仪器(TI)、摩托罗拉、德国西门子、荷兰飞利浦、法国阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所、韩国Tronix公司和DFT公司、中国台湾地区的先宁电子和新巨公司等多家公司也都从事压电陶瓷变压器材料与器件的研发。

  中国大陆从事压电陶瓷变压器研发的单位有西安康鸿、深圳富康、中国电子科技集团公司第26研究所、北京汉之源、北京海特创源、中国科学院上海硅酸盐研究所等。

  未来几年压电陶瓷变压器的发展趋势是其具有更高的升压比、更小的体积和更低的驱动电压,要求像阻容元件那样系列化、规范化、片式小型化。为此,各大研发机构和生产厂商都在围绕以下三个方面开展工作:

  1.继续开发大功率压电陶瓷材料

  压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应,并以其谐振频率激发出电压,因此,要求压电陶瓷材料具有高的机电耦合系数,高的机械品质因素;同时,要求介质损耗tgδ要很低,以避免工作时产生损耗发热,为了进一步提高升压比,应开发振动速度更高的压电陶瓷材料。另外,为了制作小功率(<1W)的微型变压器,应开发压电膜变压器。

 

  2.研究大功率的结构形式

目前,使用的压电陶瓷变压器多数为单片形或多层长条形的,这种结构的器件制作工艺简单,升压比较高,但负载能力差,功率小,功率密度<14W/cm3,一般用于高电压、小电流、高阻抗负载。要适应大功率的应用,必须开发圆片形、方片形或圆环多层独石结构的压电陶瓷变压器,这一类的器件制备工艺相对复杂些,但功率密度和承载能力要比长条形器件的大,现有报道,这类结构的压电陶瓷变压器功率密度可达40W/cm3,负载100KΩ的有效升压比可达80倍,而长条单片型负载100KΩ的有效升压比<10倍,叠层形负载100KΩ的有效升压比<50倍。

 

  3.驱动、控制电路集成化

  压电陶瓷变压器能否充分发挥其高转换效率,工作时功率的大小,很大程度上取决于驱动电路和反馈控制电路的优劣。有必要研究开发频率的跟踪范围宽,能可靠控制压电陶瓷变压器始终在其谐振点工作,体积小、成本低的集成电路,能与压电陶瓷变压器配套装配成各种规格的电源模块,供应市场,便于压电陶瓷变压器的推广应用。

  参考文献

  [1]刘光聪.压电陶瓷变压器的发展现状与趋势。全国电子变压器行业协会论文集(六),2006。

  [2]侯志俊.基于压电陶瓷变压器的超小型高压电源。电子元器件应用,2002(2)。

  [3]毛兴武,祝大卫。新型电子镇流器电路原理与设计。北京:人民邮电出版社,2007。
 

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