O 引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，各種便攜式電子設(shè)備小型化、輕型化要求開關(guān)電源需滿足輕,、小,、薄等要求。而在開關(guān)電源中,，傳統(tǒng)電磁式變壓器和電感的體積和重量是整個(gè)電源的主要部分,。盡管目前出現(xiàn)了平面電磁變壓器，或能夠集成PCB板上的小型變壓器，在一定程度上能實(shí)現(xiàn)減小高度和尺寸的目的,，但仍然難以滿足輕,、小、薄的要求,。陶瓷變壓器是基于電-機(jī)-電的工作機(jī)理,，不存在繞組和磁芯，可以做的很薄,，使電源輕,、小、薄成為可能,。與基于其電-磁-電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的電磁變壓器相比,，擁有許多優(yōu)勢,，如沒有繞組線圈,，不會受到電磁干擾和產(chǎn)生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,，成本低,，絕緣等級高，且容易獲得高的電壓傳輸比,，非常適合小功率高壓輸出場合,。

1 壓電陶瓷變壓器
1．1 基本工作原理
    電磁式變壓器是初級繞組和次級繞組通過電磁耦合來傳遞能量，而壓電陶瓷變壓器是借助壓電陶瓷材料的“逆壓電效應(yīng)”和,。正壓電效應(yīng)”實(shí)現(xiàn),。電能-機(jī)械能-電能”的轉(zhuǎn)換，完成能量傳遞的目的,。在這個(gè)能量傳遞過程中,，首先是施加在壓電陶瓷變壓器的交流電能在“逆壓電效應(yīng)”的作用下轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷材料的振動(dòng)機(jī)械能，然后又在“正壓電效應(yīng)”作用下立即將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出,。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看,。“逆壓電效應(yīng)”相當(dāng)于一臺電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,；“正壓電效應(yīng)”相當(dāng)于一臺發(fā)電機(jī),，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

    現(xiàn)以Rosen型中的一種壓電陶瓷變壓器來說明其工作原理,，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,。整個(gè)壓電陶瓷變壓器分為兩部分，左半部分為輸入端,，其上下面有燒滲的陰極,，沿厚度方向極化；右半部分為輸出端，沿長度方向極化,，右墻面有燒滲的陰極,。在輸入端施加交變電壓時(shí)，如果交變電壓的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同或接近,，則壓電陶瓷變壓器內(nèi)部形成駐波,，產(chǎn)生大幅度的應(yīng)力和位移分布，如圖l(b)所示,；在壓電陶瓷變壓器的輸出部分出現(xiàn)最大的應(yīng)變,，該應(yīng)變則經(jīng)由“正壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出。
1．2 等效電路
    壓電陶瓷變壓器有縱向振動(dòng)模式(Rosen型),、厚度振動(dòng)模式,、徑向振動(dòng)模式和彎曲振動(dòng)模式等幾種類型。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動(dòng)模式(Rosen型)為代表,，是目前應(yīng)用最廣的壓電變壓器,，而降壓輸出場合常用的是厚度振動(dòng)模式壓電陶瓷變壓器。
    縱向振動(dòng)模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖如圖l(a)所示,，上下兩面涂覆銀電極,，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動(dòng)部分,；銀電極涂在右端,，沿長度方向極化的右半部分稱為發(fā)電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時(shí)需要的激勵(lì)信號特性和與之相匹配的電路,，用相應(yīng)的電學(xué)元件等效其機(jī)械參數(shù),，其等效電路如圖2(a)所示，其中Cdl為壓電陶瓷變壓器輸入端的靜電容,，Cd2為壓電陶瓷變壓器輸出端的靜電容,，R、L,、C分別為壓電陶瓷變壓器的動(dòng)態(tài)電阻,、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容。圖2(b)為壓電陶瓷變壓器的頻率特性,，f0為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率,。

    施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號常是交變方波信號和正弦信號，對激勵(lì)信號而言,，任意波形信號均可用以下函數(shù)表示：
    
    則正弦波形函數(shù)表達(dá)式為：
    
    方波形函數(shù)表達(dá)式為：
    

    從圖2(a)可知,，壓電陶瓷變壓器是一個(gè)諧振體，圖2(b)表示當(dāng)激勵(lì)信號的頻率與變壓器的諧振頻率一致時(shí),，壓電變壓器處于諧振狀態(tài),，從圖l可知,，此時(shí)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(lì)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(gè)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(shí),，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(lì)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(shí)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(dòng)的壓電方式實(shí)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(jì)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(jì)
2．1 主電路設(shè)計(jì)
    在選用傳統(tǒng)電磁變壓器的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàng)參數(shù),。因此在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí),，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(jì),。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(jì)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(gè)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(lì)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(shí),，從輸入端看進(jìn)去,，相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載。因此需要一個(gè)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(jì)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(lì)信號。如圖4所示,，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來實(shí)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,。
    全橋逆變電路使用開關(guān)元件多,，而對于壓電陶瓷變壓器半橋逆變電路，其主電路結(jié)構(gòu)有幾種方式(如圖5所示),。圖5(a)中需要借助壓電陶瓷變壓器才能完成零電壓開關(guān),；圖5(b)中的每個(gè)開關(guān)周期，諧振能量會在諧振環(huán)中流動(dòng),，最終回送到輸入當(dāng)中去,。這些送回去的能量越多，半導(dǎo)體開關(guān)器件承受的應(yīng)力就越大,，在電路中損失的能量也越多,；圖5(c)中串聯(lián)電感，與變壓器的靜態(tài)電容一起,，可以保證壓電變壓器工作在較好的狀態(tài),，但在設(shè)計(jì)上存在一定限制。

    目前有一種LLC諧振半橋逆變電路,，如圖5(d)所示,，具有實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開關(guān)管的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)功能，且進(jìn)入壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號為正弦信號,。
2．2 控制電路
    在實(shí)際應(yīng)用過程中,，壓電陶瓷變壓器的溫度會發(fā)生變化，且所帶的負(fù)載也隨時(shí)在變化,，這兩個(gè)因素會引起壓電陶瓷變壓器的諧振頻率發(fā)生變化。如果電源電路輸出固定頻率的激勵(lì)信號,，不能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率,，那么壓電陶瓷變壓器諧振頻率變化時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率因不能工作在諧振狀態(tài)下大大降低,，甚至不工作,。因此要求主電路的輸出頻率能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。目前頻率跟蹤方式如表1所示,。

    在實(shí)際的應(yīng)用中,，如果電壓調(diào)節(jié)范圍比較大，雖然可通過PFM調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn),，但這種方法不僅調(diào)節(jié)范圍窄,，而且影響壓電冉瓷變壓器的最佳工作狀態(tài),。因此在要求調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用場合可通過PWM與PFM共同完成。

3 基于壓電陶瓷變壓器開關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用
    從目前發(fā)展現(xiàn)狀看,，升壓型壓電陶瓷變壓器超前于降壓型壓電變壓器,，其實(shí)用程度較為廣泛。較為典型的應(yīng)用是升壓型壓電陶瓷變壓器在冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用,。冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)通常是輸入電壓低,，輸出電壓很高，達(dá)到1 kV,，但是輸出功率比較小,，為了得到較高的輸出電壓，傳統(tǒng)的電磁變壓器需要匝數(shù)數(shù)量較大,，且繞組線徑非常小,，給制造帶來一定難度，且存在安全隱患,，而用壓電陶瓷變壓器很容易實(shí)現(xiàn),。升壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用還有液晶顯示器(LCD)背光照明、電子警棍,、負(fù)離子發(fā)生器,、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆,、靜電除塵,、靜電復(fù)印機(jī)、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置中,。而降壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用有計(jì)算機(jī),、手機(jī)、攝像機(jī)等便攜式電子設(shè)備的AC-DC適配器及各種DC-DC模塊電源,、各種超小型模塊電源,、手提充電器等。

4 結(jié)束語
    壓電陶瓷變壓器的特點(diǎn)使得采用壓電陶瓷變壓器的開關(guān)電源較為容易的解決了EMI,、不能微型化等問題,，且更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛用于高壓輸出,，或小功率輸出場合,。但如文章所述，壓電陶瓷變壓器必須工作在諧振狀態(tài),，轉(zhuǎn)換效率才能得到保證,，因此壓電陶瓷變壓器的開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)要求十分苛刻，需要配合壓電陶瓷變壓器,，輸出頻率可調(diào)的正弦激勵(lì)信號,。