3.5.3 压电变压器的工作特性
在研究压电变压器驱动电路时,压电变压器的一些特性必须首先加以考虑。本节以压电变压器等效电路模型为基础,通过电路分析方法推导几个重要的特性关系式,以便深入了解各种因素对压电变压器工作特性影响的规律。
1.电压增益特性
将压电变压器传统等效电路的副边负载和电容折算到原边。由于
≫R m,为简化分析,电路忽略R m,输入端电容支路视为开路,得到简化的电路网络。
图3.10(a)中的C o、负载电阻R L和简化后图3.10(b)中的映射电容C′o、映射电阻R′L的关系分别为由图3.10(b)可知,压电变压器的电压增益可写为
图3.10 带有负载的压电变压器等效电路图
为了获取谐振状态下电路传输效率与负载的关系,把等效电路模型副边电路映射到主边,图3.10(a)可简化为图3.11。
图3.11 变压器等效简化电路图
图示可列出电路方程如下:
式中,ωs为串联谐振角频率,联立式(3.26)～式(3.28)可得输出功率为
电路的输入功率为
则功率传输效率为
当上式分母取最小值时,即
最大功率传输效率为
为了考察电压增益与驱动频率的关系,取负载电阻为一定值,将压电变压器参数代入式(3.25)中,并画出增益随频率的变化曲线,如图3.12所示;令式(3.25)中ω取谐振角频率值,以负载电阻为变量得出增益随负载的变化曲线,如图3.13所示。从式(3.31)可以得到功率传输效率随负载变化的关系曲线,如图3.14所示。
图3.12 电压增益随角频率变化曲线
图3.13 电压增益随负载变化曲线
图3.14 传输效率随负载率化曲线
从图3.12可以看出压电变压器电压增益随输入电压的频率而变化。在谐振频率附近,增益最大,曲线大体对称,偏离谐振频率,增益迅速下降。压电变压器的这种强频率选择性决定了以其谐振频率附近的正弦电压驱动时升压效果最好,而方波信号驱动时,只对谐振频率附近的频率分量具有升压作用。压电变压器输出电压与输入电压频率的关系也是它与线绕变压器的一个重要差别。此外,压电变压器的电压增益还随负载的变化而变化,如图3.13所示,当负载较小时,升压比随负载的增加而迅速增加,以后逐渐达到饱和。在传输效率方面,负载存在一个最优值,在负载电阻小于最优值时,效率随着负载的增大迅速增大,当负载电阻大于最优值时,效率随着负载的增大呈下降趋势,如图3.14所示。
此外,压电变压器输出电压随输入电压的变化呈现非完全线性。当输入电压在小于其额定输入范围时,输出-输入电压间呈近似线性关系,以后则输出增加变缓,甚至饱和。
2.输入阻抗特性
变压器在电路中是作为激励信号源的负载,设计驱动网络时应对变压器输入阻抗的性质和变化有所了解。图3.15(a)所示为压电变压器输入阻抗绝对值随频率的变化,前后两峰值分别对应半波和全波情形。在谐振频率下阻抗的绝对值最低,在反谐振频率阻抗最高。图3.15(b)所示为输入电压和电流之间的相位差随频率变化的曲线。从图中可见,失谐时压电变压器输入阻抗呈电容性,电流超前电压90°,在谐振和反谐振时,相位差为0°,输入阻抗呈纯电阻性,在此二频率之间,输入阻抗呈电感性。在谐振频率和反谐振频率附近,有一个从容抗到感抗的急剧变化。
图3.15 压电变压器的输入阻抗特性示意图
当压电变压器工作在谐振频率附近状态下时,带有负载的变压器等效电路的副边电路映射到主边,并转换为串联网络,可得到压电变压器的输入阻抗为
由式(3.34)可以得到压电变压器工作在谐振频率附近时,输入阻抗随负载阻抗的变化关系,如图3.16所示。我们知道,线绕变压器的输入阻抗和负载阻抗成正比,而压电变压器则相反。从图3.16可以看出压电变压器的输入阻抗随负载阻抗减少而增加。压电变压器的这个特性在高压脉冲放电应用领域极为重要,因为负载短路或高压放电时,压电变压器输入阻抗将迅速增大而保护变压器及驱动电路不致被烧毁。
图3.16 输入阻抗随负载阻抗的变化曲线
3.温度特性
压电变压器的居里温度一般在240℃以上,故在通常使用的温度范围不会引起严重破坏。但是,随着环境温度的变化和变压器自身因介质损耗而发热,均会引起变压器谐振频率的漂移,从而使压电变压器不能稳定工作。压电变压器因介质损耗引起的温升特性与压电变压器的材料特性、体积以及输入功率均有关。因此在设计变换器时,除了要求选用温度特性较好的材料制作的变压器外,必须使其输入电压的频率随变压器的谐振频率而变化,才能保证压电变压器工作的稳定性。
压电变压器和线绕变压器在结构、工作原理和特性等方面都不相同,现比较于表3.1中。
表3.1 压电变压器与线绕变压器的比较
从表3.1可见,压电变压器主要适用于高压、低功率和正弦波变换的场合。它具有输出电压高,质量轻,体积小,无漏泄磁场,不燃烧等独特优点,而且安装简便,若用半波谐振模式,则用一个夹子(内衬橡皮条)夹住全长的1/2处;若用全波谐振模式,则用一个(或两个)夹子夹住全长的1/4(和3/4)处。输出端用磷铜丝绕成弹簧状,用渗银的焊锡直接在压电变压器的电极上作为输出引线。目前,压电变压器已用于电视显像管、雷达显示管、静电印刷、静电除尘、小功率激光管、离子发生器、压电材料的极化等所需的高压设备中。