3.5.2　压电变压器的工作原理

压电变压器是最早由C.A.Rosen于1957年发明,并于20世纪70年代发展起来的新型电子变压器。早期使用钛酸钡材料,转换效率很低,压电变压器的发展曾一度停滞不前。近些年,随着高压电常数、高K p和高Q m压电陶瓷材料的迅猛发展,以及信息处理设备和通信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,使得压电变压器重新受到重视,并取得了显著的进展。目前,Rosen型升压变压器产品较为成熟,应用领域广泛。

压电变压器是采用铁电材料,经烧结和极化等一系列工艺制作而成的,在居里温度下属四方晶相的多电畴结构,经高压电场极化后,因电畴转向陶瓷体内的极化强度不为零而具有压电性。利用压电陶瓷具有的正逆压电效应,在机电能量二次转换过程中,通过体内阻抗变换而实现变压作用。压电变压器根据其形状、电极和极化方向不同而具有各种结构,其中长条片形结构的Rosen型压电变压器,因具有较高的升压比和较大的输出功率较为常用。本书所采用的变压器凡未做特别说明的均指Rosen型。

压电变压器不是对任何频率的输入电压都有变压作用。只有在频率等于压电变压器固有频率的驱动电压激励下,压电变压器处于谐振状态,沿其长度方向的振动最强的情况下才有变压作用。压电变压器谐振频率决定于自身的几何尺寸和材料的声速,即式中:V是材料的声速;λ是沿长度的驻波振动的波长。

当λ=2l,即压电变压器的长度等于全波长时,称全波谐振;当λ=4l,即压电变压器的长度等于半波长时,称半波谐振。通常情况下,压电变压器在半波谐振模式和全波谐振模式下工作,对于其他谐振模式,因升压比和转换效率极低而不使用。

压电变压器工作在谐振状态下,其半波谐振态和全波谐振态的位移和应力分布情况如图3.9所示。从图中可以看出,在半波谐振状态时,压电变压器中间位移为零,安装时以此为夹持位置。在全波谐振状态时,压电变压器两端和正中位置位移最大,应力为零;在距离两端1/4处的位移为零,应力最大,可作为夹持位置。夹持位置选在这些位置上,不影响压电变压器的工作状态。为了消除变压器工作时厚度振动和宽度振动对长度伸缩振动的影响,压电变压器的几何尺寸应满足其半长度远大于其宽度和厚度的条件。

图3.9　压电变压器谐振状态位移应力分布