4 壓電變壓器

　　4.1 概述

　　壓電變壓器是20世紀50年代后期開始研制的一種新型壓電器件，最早由C. A. Rosen于1956年發明。即時的壓電陶瓷材料是以鈦酸鋇（BaTiO3）為主，其壓電性能低，制成的壓電變壓器升壓比很低，僅有50~60倍，輸出電壓僅為3kV，實用價值不大，未能引起人們的重視［8~12］。

　　隨著鋯鈦酸鉛（PbZrTiO3）等高機電耦合系數Kp和高機械品質因數Qm壓電陶瓷材料的出現，壓電變壓器的研制才取得了顯著的進展。目前已能生產升壓比為300~500，輸出功率50W以上的壓電變壓器。

　　20世紀80年代初，清華大學提出了多層獨石化壓電變壓器的創意及概念，并在國際上最早開展了多層壓電變壓器的研究。

　　4.2 壓電變壓器的結構

　　壓電陶瓷變壓器最為常用的是長條片狀結構，因其結構簡單，制作容易，并且具有較高升壓比和較大的輸出功率。這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖5所示。

　　圖5 壓電變壓器的形狀和原理

　　整個長條片型壓電陶瓷變壓器中分成兩部分：左半部的上、下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極比，作為輸入端，稱為驅動部分;右半部分的右端也有燒滲的銀電極，沿長度方向極化，作為輸出端，稱為發電部分。

　　左半部分和右半部分兩片壓電陶瓷片緊緊牢固地結合在一起。

　　制備好的壓電陶瓷晶體在居里溫度下屬四方晶相多電疇結構，經高壓電場極化后因電疇轉向，陶瓷體內極化強度不為零而具有壓電性。當在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅動部分）加上交變電壓時，由于逆壓電效應，壓電陶瓷變壓器產生長度方向上的伸縮振動，輸入的電能轉換成機械能。 在發電部分由于存在縱向振動，通過正壓電效應，機械能轉換成電能，因此在輸出端由電壓輸出。壓電陶瓷變壓器的能量轉換過程與電磁變壓器截然不同，是從電能到機械能又到電能的物理過程。

　　當壓電陶瓷變壓器輸入端加上頻率為瓷片固有諧振頻率的交變電壓時，通過逆壓電效應，瓷片產生沿長度方向的伸縮振動，將輸入電能轉變機械能;而發電部分則通過正壓電效應將機械能轉換為電能從而輸出電壓，因瓷片的長度遠大于厚度，故輸出端阻抗遠大于輸入端阻抗，輸出端電壓遠大于輸入端電壓，一般輸入幾伏到幾十伏的交變電壓，可以獲得幾千伏以上的高壓輸出。

　　4.3 壓電變壓器的特性

　?。?）轉換效率高。滿載時達到97%以上（電阻性負載）。

　　（2）超薄。能量密度很大，相應體積可以做到很小，很薄。厚度一般不超過4mm，最適宜片式化。

　?。?）輸出標準正弦波電壓，不受變壓器輸入波形畸變的影響。

　?。?）對于低阻負載具有準恒流輸出特性。

　?。?）諧振變壓器。可實現零電壓、零電流轉換。

　?。?）變壓器輸入輸出之間耐壓高，漏流小，一般情況下，變壓器的輸入輸出之間在3700VDC / 分下，漏流《20μA， 在3000VAC ∕ 分下，漏流﹤200μA。

　?。?）變壓器自身具有很好的濾波功能。

　　（8）變壓器具有短路自動保護功能。

　?。?）不產生反峰壓，可靠保護功率放大電路。

　?。?0）沒有電磁干擾。 由于換能的過程是由機械振動完成，并不是電磁轉換，不會產生電磁干擾（EMI），也不會受到外界的電磁干擾。

　　（11）環境適用性強，耐低溫、耐高溫、耐酸、耐堿、不會霉變，壽命長。抗鹽霧，耐候性好，尤其適于海洋性氣候使用。

　?。?2）安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁芯和繞組線圈，沒有磁飽和問題，不會因負載短路而燒毀，也不怕潮濕。

　　4.4 壓電陶瓷變壓器存在一些不足

　?。?）壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然輸出功率可達到20W乃至30~40W，但目前成熟產品的輸出功率不超過10W，故此僅適用小功率、小電流和高電壓領域。

　　（2）工作頻率范圍比較窄。只有當輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時，才有最大輸出電壓，如果偏離諧振頻率，電壓下降的幅度較大。

　?。?）壓電陶瓷變壓器所涉及的相關控制和驅動電路比較復雜，這會使系統成本增加，可靠性變差。

　?。?）對安裝固定與配置要求比較嚴格。壓電陶瓷變壓器有半波膜諧振和全波膜諧振兩種安裝狀態。在固定陶瓷片時，支撐點必須選定在振動位移為零處，即半波膜諧振的支撐點在陶瓷片的中間，全波模諧振的支撐點在距左端的1/4處，否則會影響升壓比和轉換效率。

　　4.5 壓電變壓器的應用

　　壓電變壓器經過30多年的發展，器件的材料、驅動電路及控制電路均已發展成熟，目前已被應用于筆記本電腦及手機的LCD的背光驅動高壓源、直流開關電源和霓虹燈驅動等方面。

　?。?）驅動冷陰極管

　　液晶顯示器顯示圖像時需要均勻的背光，背光由一支或多支冷陰極熒光燈管（CCCF）發光來提供。多層壓電變壓器的升降比高，高壓下工作不會擊穿，電磁干擾小，非常適合驅動CCFL，近年來在LCD背光電源中獲得了廣泛的應用。

　?。?）DC-DC變換器

　　從低損耗的角度來講，能量轉換效率提高。符合嚴格的安全及噪聲規格標準。

　?。?）用于安全防爆系統中的電警棍、防盜網、提款箱、運鈔車和保險柜等。

　?。?）影像管、液晶顯示器中的冷陰極管、霓虹燈管、激光管或X光管、高壓靜電噴涂、高壓靜電植絨和雷達顯示管。

　?。?）點火系統中的高壓脈沖點火器等以及影印機、激光打印機、傳真機、靜電發生器、靜電復印機、醫療器材、空氣清新機、臭氧清毒柜以及軍事和航天設備等。

　　5 薄膜變壓器

　　5.1 概述

　　薄膜變壓器由于具有信號隔離和傳輸的特性，是不可缺少的電子元件。尤其是它具有信號合成和信號轉換的特點，與其它電子器件和電路實現方式相比具有無可替代的優勢［13~15］。

　　對此，20世紀90年代，國外研究人員已進行了大量研究，如K. Yamasawa等用10μm厚的金屬薄膜作為磁芯制造功率變壓器，其效率達到78.0﹪。功率密度僅為3mW/cm2。

　　M. Yamaguchixi 等采用濺射CoNbZr合金制造出較高功率和效率的變壓器，工作在10MHz時達到60.0﹪的效率和0.8W/cm2的功率密度。而同樣通過濺射帶狀絲和非晶CoNbZr薄膜，日本H. Tsujimoto等構造出4mm×9mm的一種新型薄膜變壓器一一針孔器件，在300MHz~900MHz頻率范圍內有超過50﹪的傳輸效率。

　　H. S. midorikawa采用Z型線圈和Co-Zr磁芯，研究出應于多層開關調節器的平面膜變壓器，在1MHz頻率工作時效率可達到77.5﹪。

　　愛爾蘭的Terence D’ Donnell等人研制了在5MHz~10MHz范圍內輸出功率3.5W，傳輸效率達到82﹪的NiFe合金磁芯的薄膜變壓器。

　　另外A. H. Miklich等人探討了采用超導薄膜制作薄膜變壓器的相關問題及其可能的應用。

　　5.2 一種PCB薄膜變壓器

　　電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室梁棟、張懷武采用倒園角矩形的螺旋繞線形式，利用柔性雙層PCB板，采用中間過孔方式加大線圈單位面積的繞線匝數，以此有效增加單位面積上的電感量及耦合，制備出如圖6所示的面積為20mm×20mm，線寬0.2mm、線間距0.3mm，匝比為6:18的無芯變壓器。

　　圖6 薄膜變壓器設計圖

　　此無芯變壓器線圈表面已覆蓋絕緣層，采用直流磁控濺射，將軟磁薄膜鍍在此變壓器的上下兩面，所用軟磁薄膜為Co-Fe合金與Ni-Fe合金。所鍍薄膜厚度分別約為1.2μm（濺射時間15min）和15μm（濺射時間40min）。

　　研究了薄膜材料、膜厚等因素對該種變壓器性能的影響。結果表明，制得的薄膜PCB平面變壓器電感量在0.6~1.6μH，可以有效工作于4~14MHz的頻率范圍。

　　采用上述方法制備變壓器，可以把變壓器從三維變成兩維，從而為器件的表面貼裝打下基礎，并同時滿足“更小、更輕、更薄”的要求。

　　5.3 小結

　　總的來說，薄膜變壓器總體上還是處于基礎性研究階段，還有著體積過大，傳輸效率與工作頻率難以相容等問題。