壓電陶瓷變壓器及其應(yīng)用

圖1所示的壓電變壓器的長度遠(yuǎn)大于厚度，輸入阻抗遠(yuǎn)小于輸出阻抗，可以用來實現(xiàn)升壓目的。這種變壓器在空載和諧振狀態(tài)下的最大升壓比為：

（1）
　　式中：Vout和Vin分別為輸出電壓和輸入電壓；Qm為材料的機械品質(zhì)因素；K31和K33分別為材料的橫向和縱向機電耦合系數(shù)；L為驅(qū)動部分長度；t為陶瓷片厚度。
變壓器的最大效率為：

　　
(2)如果將圖1中的發(fā)電部分作為壓電變壓器的驅(qū)動部分，而將驅(qū)動部分作為壓電變壓器的發(fā)電部分（如圖2所示），于是發(fā)電部分的輸入阻抗大于驅(qū)動部分的輸出阻抗，致使輸出端的電壓降低，電流增大，便成為一種降壓型壓電陶瓷變壓器。由于壓電陶瓷降壓變壓器的輸出阻抗比較大，很難小于100Ω，因此輸出電流比較小。

圖3所示是日本NEC公司利用K1振動模式的壓電陶瓷降壓變壓器示意圖，圖4所示為采用徑向振動模式的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的結(jié)構(gòu)示圖。

　　
單片壓電陶瓷變壓器比較小，功率也比較低。在上一個世紀(jì)90年代，人們將制備多層片式陶瓷電容器（MLCC）的工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制作中，于是制成了多層片式壓電陶瓷變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種N層結(jié)構(gòu)的壓電變壓器，每層的極化方向相反，各電極采用叉指方式交替地連接。通過調(diào)整陶瓷層數(shù)可以有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變變壓比。圖6所示為驅(qū)動和發(fā)電部分分別采用多層陶瓷和內(nèi)電極結(jié)構(gòu)的升壓和降壓變壓器示圖。
　　
2、壓電陶瓷變壓器的特點
　　
壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和原理與傳統(tǒng)電磁變壓器截然不同，其特點如下：
　　
（1）體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。
　　
（2）安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁心和線組線圈，沒有磁飽和問題，不會因負(fù)載短路而燒毀，也不怕潮濕。
　　
（3）功率轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)95%，最高可達(dá)98%。
　　
（4）能量傳輸是以高頻振動的壓電方式實現(xiàn)的，不會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），也不會受到外界的電磁干擾。
　　
（5）不產(chǎn)生反峰電壓，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓。
　　
盡管壓電陶瓷變壓器具有以上這些優(yōu)點，但也存在一些不足，例如：
　　
a．壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可達(dá)20W（如NEC制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達(dá)20W以上，諧振頻率為140KHz，在20W時的轉(zhuǎn)換效率為97%）乃至30~40W，但目前成熟產(chǎn)品的輸出功率不超過10W，因此僅適用小功率、小電流和高電壓領(lǐng)域。