壓電陶瓷變壓器在開關(guān)電源的應(yīng)用分析

從圖2(a)可知，壓電陶瓷變壓器是一個諧振體，圖2(b)表示當(dāng)激勵信號的頻率與變壓器的諧振頻率一致時，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖l可知，此時延長度方向振幅最大，壓電變化才最有效。因此需要施加在壓電陶瓷變壓器的激勵信號頻率與變壓器諧振頻率保持一致。
把壓電變壓器等效成一個線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號在壓電陶瓷變壓器上，從式(3)可知，在壓電陶瓷變壓器上的響應(yīng)為方波信號的各次諧波的響應(yīng)疊加。若方波信號基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對壓電變化的有效性沒有積極作用，即這部分電能并沒加強(qiáng)延長度方向的振幅。因此從電能利用率最大化角度考慮，施加在壓電陶瓷變壓器的激勵信號需要正弦信號。
1．3 壓電陶瓷變壓器的特點(diǎn)
由1．1、1．2小節(jié)可知，壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和原理是全新的概念，與傳統(tǒng)電磁變壓器相比，其特點(diǎn)如下：
(1)能實現(xiàn)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，沒有磁芯和繞組，不存在磁飽和問題，不會因負(fù)載短路而燒毀。
(3)功率轉(zhuǎn)換效率一般可達(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。
(6)壓電陶瓷變壓器輸出功率較小，目前成熟產(chǎn)品功率在10 W以內(nèi)，但已研究出20 W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。
(7)開關(guān)電源采用壓電陶瓷變壓器，其電路必須與陶瓷變壓器的參數(shù)相配合才能有效工作，因此可調(diào)性差，電路設(shè)計也較復(fù)雜。
(8)壓電陶瓷變壓器的工作性能要受其安裝工藝影響。

2 基于壓電陶瓷變壓器開關(guān)電源電路設(shè)計
2．1 主電路設(shè)計
在選用傳統(tǒng)電磁變壓器的開關(guān)電源電路設(shè)計中，通常是根據(jù)其傳輸?shù)墓β?、電源輸入特點(diǎn)、輸出特點(diǎn)，是否要求輸入輸出隔離等要求來選擇工作電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)選用的電路結(jié)構(gòu)，輸出功率等要求設(shè)計電磁變壓器，確定磁芯、繞組組數(shù)、線圈線徑和匝數(shù)等各項參數(shù)。因此在設(shè)計電路參數(shù)時，基本沒把電磁變壓器參數(shù)考慮進(jìn)去，只是在電源電路確定后才考慮變壓器設(shè)計。根據(jù)1．2節(jié)壓電陶瓷變壓器等效電路的分析，壓電變壓器電源的電路設(shè)計需要把壓電陶瓷變壓器作為影響電路是否正常工作的一個重要因素，即在電路結(jié)構(gòu)選擇，電路參數(shù)確定，控制方式等方面，都需要考慮壓電陶瓷變壓器的作用。
根據(jù)上述分析，壓電陶瓷變壓器的激勵信號頻率和負(fù)載對壓電陶瓷變壓器的轉(zhuǎn)換效率影響很大，通?；陔妷禾沾勺儔浩鞯拈_關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

根據(jù)壓電變壓器的等效電路圖2可知，當(dāng)壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時，從輸入端看進(jìn)去，相當(dāng)于一個容性負(fù)載。因此需要一個輸入匹配電路來減小流入壓電陶瓷變壓器的電流，或者說來補(bǔ)償容性阻抗。輸入匹配電路的設(shè)計主要由壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗和開關(guān)變換電路的輸出阻抗決定。
基于壓電陶瓷變壓器開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)一樣，仍然有回掃逆變電路、推挽逆變電路、全橋逆變電路，半橋逆變電路幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過前面分析可知，壓電陶瓷變壓器需要施加正弦激勵信號。如圖4所示，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來實現(xiàn)正弦信號生成。

推挽逆變電路需要大電感來完成充電和放電，對采用壓陶瓷變壓器使小型化電源的優(yōu)勢不再存在。