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压电陶瓷变压器及其应用
[发布时间]:2011年8月22日 [来源]:中国电源博览 [点击率]:5679
【导读】: 压电陶瓷变压器是用铁电陶瓷材料经烧结和高压极化等工艺制成的一种新型电子变压器,其结构和工作原理与电磁绕线式等传统变压器是截然不同的。人们对压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代中后期。美国的Ro...

       图3所示是日本NEC公司利用K1振动模式的压电陶瓷降压变压器示意图,图4所示为采用径向振动模式的自耦式压电陶瓷降压变压器的结构示图。

       单片压电陶瓷变压器比较小,功率也比较低。在上一个世纪90年代,人们将制备多层片式陶瓷电容器(MLCC)的工艺移植到压电陶瓷变压器的制作中,于是制成了多层片式压电陶瓷变压器,其结构如图5所示。这种N层结构的压电变压器,每层的极化方向相反,各电极采用叉指方式交替地连接。通过调整陶瓷层数可以有效地改变变压器的输入阻抗和输出阻抗,从而改变变压比。图6所示为驱动和发电部分分别采用多层陶瓷和内电极结构的升压和降压变压器示图。

  2、压电陶瓷变压器的特点

  压电陶瓷变压器的结构和原理与传统电磁变压器截然不同,其特点如下:

  (1)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,没有磁心和线组线圈,没有磁饱和问题,不会因负载短路而烧毁,也不怕潮湿。

  (3)功率转换效率高,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。

  尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点,但也存在一些不足,例如:

  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。

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