（凝聚态物理专业论文）无铅压电陶瓷高压发生器特性自匹配的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 压电变压器是一种电一机一体化器件，利用电一机一电转换原理，在谐振态 达到变压、变阻抗的目的。相对于传统的电磁变压器具有效率高、体积小、重量 轻、防爆、不易燃、抗过流、无电磁干扰等特点，是信息产业中至关重要的一类 器件。 自1 9 5 6 年c a r o s e n 发明压电变压器以来，随着高k 和高q m 的铅基压电材料 ( p b z r t i 0 3 ) 的出现，压电变压器的研制才取得较为显著的进展。但铅基压电材料 的含铅量高达7 0 ，对环境造成污染。新型的无铅压电材料受其压电活性、k 、q m 等参数的限制，还没能进入实用阶段。虽然国内外各大科研机构和公司在无铅压 电陶瓷变压器方面取得了一定的技术上的突破和经济上的效益，但目前仍然存在 很多问题，例如缺少针对无铅压电变压器驱动电路的研究，半桥驱动仍离不开体 积较大的电感等。 通过对k n n t 基压电材料改性的研究发现：在k n n t 压电材料中t a 含量为3 0 9 6 时，掺入适量的k 4 c u n b 8 0 2 3 和m n 0 2 可以有效提高陶瓷的机械品质因数和降低损 耗。t a 的含量为1 0 时，掺杂l m 0 1 k 4 c u n b 8 0 2 3 和o 5 m 0 1 m n 0 2 得到了性能优 越的k n n t ( t a = 1 0 ) 无铅压电陶瓷。基于本课题组在碱金属铌酸钾钠( ( k , n a ) n b 0 3 ) 基无铅压电材料方面取得的研究进展，直接采用k n n t 基的无铅压电材料作为无铅 压电变压器的主要成份。 本文主要研究无铅压电陶瓷的特性及外围驱动电路自适应特性，并应用于高 压发生器。主要有以下几点创新性工作： 1 、通过对薄圆片式压电变压器的理论推导，建立了单层薄圆片压电变压器的 集总等效电学模型，系统分析了影响压电变压器效能的相关因素，提出适用于高 压发生器的压电变压器机电参数和几何结构。 2 、参考已有的配方，选用改性的( k o 5 n a o 5 ) ( n b o 9 t a o 1 ) 0 3 ，制备了k n n t 基无铅 单层薄圆片压电变压器，并根据a n s y s 模拟结果，对压电变压器的输入输出电机 面积进行优化，进一步提高了无铅压电变压器的效能，使升压比由原来的三倍频 山东大学硕士学位论文 4 2 倍提高到基频9 5 4 倍。 3 、结合无铅薄圆片压电变压器的特性，设计了程控预升压b o o s t 电路，电路 输出电压3 0 - 9 0 v 可调，使其输出电压满足压电变压器的输入驱动要求。 4 、设计自适应扫频半桥驱动电路，其频率能自动识别并跟踪压电变压器的谐 振频率。尤其是根据压电变压器特点，优化了传统半桥驱动电路，去掉体积较大 的电感使半桥电路更适合驱动压电变压器。 5 、设计了基于无铅压电变压器的c c f l 高压驱动器，但由于压电变压器是高电 压、低电流输出，目前还不能成功点亮c c f l 。 6 、基于无铅压电变压器的高电压、低电流输出特性，设计了用于压电材料极 化的高压极化装置，并成功运用于本课题组专业实验室。 对无铅压电变压器在高压发生应用方面做了有益的探索。 2 关键词：无铅压电陶瓷：薄圆片压电变压器；b o o s t ；扫频；自匹配 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ri sa ne l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c et h a tt r a n s f e r se l e c t r i c a l t h r o u g ham e c h a n i c a lv i b r a t i o na ti t sr e s o n a n c ef r e q u e n c y i ng e n e r a l ，p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r sp r o v i d em a n ya d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o ne l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r s ， s u c ha s h i g he f f i c i e n c y , s m a l ls i z e , l i g h tw e i g h t ，e x p l o s i o n - p r o o f , n o n f l a m m a b l e ， a n t i o v e r - c u r r e n t ，n oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds oo n i ti st h ei n d i s p e n s a b l ep a r t i nt h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s i n c ep r o p o s e db yr o s e ni n19 5 0 s ，t h es t u d yo fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rg e tm o r e s i g n i f i c a n tp r o g r e s s ，w i t ht h ee m e r g e n c eo ft h eh i g hka n dq mp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lo f l e a d b a s e d ( p b z r t i 0 3 ) h o w e v e r , t h e s em a t e r i a l sc o n t a i nm o r et h a n7 0 p b o ，t h e y c a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h ea p p l i c a t i o no fl e a d f r e ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l si s l i m i t e db e c a u s eo fi t sl o w e rp e r f o r m a n c e ，s u c ha s ：p i e z o e l e c t r i ca c t i v i t y , kq m ，e t c d o m e s t i ca n df o r e i 伊s c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n dc o m p a n i e sh a v em a d ea b r e a k t h r o u g hi nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i ca s p e c t si nt h el e a d f r e ep i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r , b u tm a n yp r o b l e m ss t i l le x i s lf o re x a m p l e ，l a c ko fc i r c u i td r i v i n g t e c h n i q u e s b ys t u d y i n gt h em o d i f i c a t i o no fk n n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，t h ed o p i n go f k c na n dp r o p e ra m o u n to fm n 0 2w a se f f e c t i v ei np r o m o t i n gt h em e c h a n i c a lq u a l i t y f a c t o rq ma n dr e d u c i n gt h ed i e l e c t r i cl o s st a n 5 t h e1 1 i g h p e r f o r m a n c ek n n t p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s w i t hlm 0 1 k 4 c u n b s 0 2 3 ，0 5 m 0 1 m n 0 2w a so b t a i n e d p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sa r ef a b r i c a t e du s i n gk n n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s w i t hl m 0 1 k 4 c u n b 8 0 2 3 ，0 5 m 0 1 m n 0 2 i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a d f r e ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa n dt h ed r i v i n g c i r c u i ta d a p t i v e c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n so fh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o rh a v e b e e n s t u d i e d 1 f r o mt h et h e o r yo fd i s k t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sd e v e l o p e d ，t h ee q u i v a l e n t e l e c t r i c a lm o d e lo fs i n g l e - l a y e rd i s c t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ri ss e tu p 2 d i s k t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sa r ef a b r i c a t e du s i n gm o d i f i e d ( k o 5 n a o 5 ) ( n b o 9 t a o 。1 ) 0 3c e r a m i c s 3 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a d - f r e e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r , 3 山东大学硕士学位论文 p r o g r a m m a b l ep r e b o o s tc i r c u i ti sd e s i g n e d 4 ah a l f - b r i d g ed r i v e rc i r c u i tw i t ha d a p t i v es w e e ph a sb e e nd e s i g n e dt oi d e n t i f y a n dt r a c ka u t o m a t i c a l l yt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 5 a h i g hv o l t a g ed r i v ef o rc c f lh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nl e a d f r e e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 6 w i t hl e a d - f r e ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ，ah i g h - p r e s s u r ed e v i c ef o rp i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l sp o l a r i z e dh a sb e e nd e v e l o p e d t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fl e a d - f r e ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ri sv a l u a b l e k e y w o r d s ：l e a d - f r e ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ；d i s k t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r , b o o s t ；s w e e p ；a u t om a t c h i n g 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 材料密度 居里温度 介电常数 介电损耗 机电耦合系数 压电应变常数 压电电压常数 机械品质因数 应变 弹性柔顺系数 电场强度 电位移，占空比 应力 转换效率 泊松比 频率 角频率 等效质量 等效力阻 等效力顺 电容 电感 电阻，半径 电压 5 罗 p 正 加 以 如 鼬 么 屯 s f 口 ， 刁 口 ， d 厶 尼 f 斤 矿 山东大学硕士学位论文 6 电流 功率 升压比 长度 厚度 高度 机电变比 贝塞尔函数 ， 尸 口 ， 办 k 、 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：型乒l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 黼一：雅翮躲邀日期：毕 山东大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章绪论 固体材料按导电特性来分，可以分为超导体、导体、半导体和绝缘体。若按对 外界电场作用的响应方式来划分，可分为导电材料和介电材料。某些各向异性的 晶体，在外力作用下产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现 束缚电荷，这种现象称为压电效应。对某些电介质施加机械压力时，会产生压缩 或伸长等形状变化，引起其内部的正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化， 从而导致介质两个表面上出现符号相反的束缚电荷，并且其电荷密度与外力成正 比，这种现象称之为压电效应，也叫正压电效应；反之，将具有压电性的电介质 置于外电场中，由于电场的作用，同样也会引起介质内部的正负电荷中心产生相 对位移，而导致介质产生一定量的机械变形，这称之为逆压电效应。因此，压电 效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。 陶瓷是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的不规则集合多晶体。由于陶 瓷体内部的晶粒随机取向，因而陶瓷体内部的自发极化也是随机取向的，整体上 表现不出压电效应。在直流电场作用下，铁电陶瓷各晶粒中的自发极化将平均地 取向于电场的方向进行排列，因而在总体上出现沿电场方向的剩余极化，外加电 场方向就成为陶瓷的特殊极性方向。显然，这种陶瓷不再是各向同性的，而呈现 出明显的压电效应。将具有铁电性的陶瓷进行人工极化后所获得的陶瓷就是压电 陶瓷。 自1 8 8 0 年c u r i e 兄弟在研究石英晶体时发现了压电效应以来，压电材料和压 电器件的研究、生产和应用得到极为迅速的发展。压电陶瓷材料由于其生产工艺 简单、化学性质稳定、能通过掺杂或置换取代改性得到适合不同需要的具有不同 特性的陶瓷、应用成本低廉等特性，已广泛用于声换能器、陶瓷滤波器、压电变 压器、点火引爆装置、表面波器件、电光器件和热释电探测器掣。 目前传统的压电铁电陶瓷，包括弛豫性铁电陶瓷在内，大多是含铅陶瓷，其中 氧化铅( 或四氧化三铅) 约占原料总重量的7 0 左右【2 1 。含铅压电铁电陶瓷在制备、 使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类带来损害。为了保护地球和人类的生 山东大学硕士学位论文 存空间，防止环境的污染，2 0 0 1 年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制 有害物质 的法令，并于2 0 0 8 年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的 压电器件。为此，欧洲共同体立项1 5 1 万欧元进行关于非铅系压电陶瓷的研究与 开发。美国、日本和我国也将相继通过类似的法令，并已逐年提高了对研制非铅 系压电陶瓷项目的支持力度。我国2 0 0 7 年3 月1 日起执行的电子信息产品污染 控制管理办法中规定“生产者应当采取措施逐步减少并淘汰电子信息产品中铅、 汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯( p b b ) 、聚合溴化联苯乙醚( p b d e ) 及其它有毒 有害物质的含量 。“无铅化 影响压电陶瓷产品的市场发展，“环境材料 的 概念提出对传统的压电铁电陶瓷的应用提出了新的挑战。无铅压电陶瓷又称环境 协调性压电陶瓷，是指既具有满意的使用性能又具有良好环境协调性的一类新型 功能陶瓷材料。它要求材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质( 特别 是铅) ，并且在制备、使用废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质，以及制 备工艺应具有耗能少、对环境污染小等良好的环境协调性。 由此可见，发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实 用意义的课题。中国科学院在1 9 7 9 年就开始致力于非铅压电陶瓷的制备及其传感 器器件的研制。2 0 0 1 年在“8 6 3 ”计划、“9 7 3 计划的资助下，成功地开发了钙 钛矿结构的钛酸铋钠钾系列和铋层状结构的钛酸铋锶钙系列的无铅压电陶瓷材 料。不过，目前国内压电陶瓷市场上的无铅化产品未形成产业化优势，主流的压 电陶瓷产品以传统的技术和生产方式进行运作，国内“无铅化正是行业内主要 的努力方向，尽快形成相应的研发、生产、销售一条龙的健康商业链条也是目前 首要任务。从健康、环保及经济、社会可持续发展的要求考虑，压电陶瓷材料的 无铅化及无铅压电器件的推广应用是当前研究的热点，是无铅压电陶瓷从实验室 走向市场的至关重要的一步，是一项有重大社会效益和经济效益的课题，具有非 常重要的战略意义。 1 2 无铅压电陶瓷研究进展及存在的问题 2 近年来，国内外研究的无铅压电陶瓷体系主要有：钛酸钡基、钛酸铋钠基 ( b n t ) 、碱金属铌酸盐基、铋层结构无铅压电材料。这些无铅压电材料的压电性 山东大学硕士学位论文 能各有其特点，但综合性能上与目前实用化的锆钛酸铅系压电材料相比还有一定 差距。 1 2 1 钛酸钡基压电材料 钛酸钡基压电陶瓷为钙钛矿型结构，作为最早获得实用的压电陶瓷研究比较成 熟。随温度变化有4 种晶型： 1 2 0 。c 为立方结构，1 2 0 。c 一5 。c 为四方结构，5 。c 一8 。c 为菱形结构， 一8 0 。c 为菱形结构【3 1 。该系材料居里温度低，在1 2 0 。c 附近存在铁电 顺电相变和5 。c 附近存在铁电铁电相变点，其时间、温度的稳定性较差，工作 温区窄；压电性能难以通过掺杂改性大幅度改善；需高温烧结( 1 3 0 0 一1 3 5 0 。c ) ， 且烧结存在一定难度；不能直接替代p z t 陶瓷在压电铁电领域的广泛应用。 1 2 2 钛酸铋钠基压电材料 钛酸铋钠( b n t ) b i o 5 n a o 5 t i 0 3 是钙钛矿型铁电体。小于2 0 0 。c 为三方结构；大于 3 2 0 。c 为顺电阻；3 2 0 。c - 2 0 0 。c 之间经历复杂弥散相变过程，三方相和四方相共存【3 1 。 b n t 铁电性强、压电常数大、机电耦合系数各向异性较大，相对介电常数较小( 2 4 0 3 4 0 ) ；热释电性能与b t 和p z t 相当，且烧结温度低( 一般在1 2 0 0 0 c 以下) ，声 学性能好，频率常数大。由于其矫顽电场高以及在铁电相区电导率较高，极化困 难，而且该系陶瓷中n a 2 0 易吸水，高温下易挥发，烧结温度范围较窄，陶瓷的化 学稳定性和致密性较差，因而单纯的g n t 陶瓷难以实用化。目前其研究主要集中在 提高压电活性和降低矫顽场，拓宽使用温度和烧结温度，主要是添加多种钙钛矿结 构掺杂物，改性后丘能降低到5 0 k v c r a 以下，压电性能有所提高。 1 2 3 铋层结构无铅压电材料 铋层状结构压电陶瓷是由类钙钛矿型结构层( a m 1 b m 0 3 叶1 ) 2 和铋氧层( b i 2 0 2 ) 2 + 沿c 轴方向交错排列而成的特殊层状结构压电陶瓷。这类陶瓷电学性能各向异性 明显，介电常数较低约为l o o - 2 0 0 ) ，机械品质因数高，频率温度系数小，老化 率低，介电击穿强度大，烧结温度低。然而，此类陶瓷的缺点与它们的优点一样 明显：矫顽场较大，电阻率低，不利于极化，压电活性较低。 1 2 4 铌酸盐无铅压电材料 铌酸盐压电陶瓷无铅无铋，具有密度小、声学速度高、机械品质因数大、机电 耦合系数大，介电常数低、压电性能高、频率常数大等优点，可用于光电材料、 3 山东大学硕士学位论文 传声介质和高频换能器掣3 1 ，碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐是目前无铅研究的 热点。 钨青铜结构无铅压电材料以铌酸锶钡( s r l 。b a 。n b 2 0 6 ) 系和铌酸钡钠 ( n a b a 2 n b s o l 5 ) 系材料为代表。此类晶体结构与钙钛矿结构类似，由共顶点的 b 0 6 】 氧八面体堆垛而成，但在垂直于四重轴的平面内取向不一致。钨青铜型自发极化 强度大、居里温度高、介电常数低，在铁电、压电、热释电、非线性光学等方面 性能十分优越，得到广泛关注，尤其对该体系陶瓷进行掺杂或取代的改性，是现 在研究的热剧3 1 。目前钨青铜化合物是仅次于( 类) 钙钛矿型化合物的第二大类压电 材料。 碱金属铌酸盐被认为是最具有发展前景的铌酸盐压电陶瓷，在一定应用方 面可以取代p z t 的最具有竞争力的候选。早在1 9 4 9 年美国学者合成出n a n b 0 3 k n b 0 3 等铌酸盐晶体【4 1 ，其铁电性较强，作为电光材料受到重视。铌酸钾( k n b 0 3 ) 室温下是正交晶系的钙钛矿型铁电体。在降温过程中，于4 3 5 0 c 发生顺电一铁电 相变，由立方相进入四方相；于2 2 5 0 c 发生四方一正交铁电相变；于1 0 0 c 发生正 交一三角铁电相变。铌酸钠( n a n b 0 3 ) 在室温下是正交晶系的钙钛矿型反铁电体， 从1 1 0 0 c 到6 4 0 0 c 发生七种相变。居里温度约3 6 0 0 c ，具有强电场诱发的铁电性。 k n b 0 3 与n a n b 0 3 可形成连续固溶体k x n a l x n b 0 3 ，在0 0 2 x l 范围内，居里温 度随x 的减小仅略有下降，均在4 0 0 0 c 左右；在0 4 宽度w ，l 厚度t 。 内j | 、： x 、 yl 支点支点支点 图1 - 3 半波谐振和全波谐振的应力、位移分布 r o s e n 型压电变压器空载时其谐振状态下的升压比为： 6 山东大学硕士学位论文 瓯砉q k 3 3 k 3 1 ( 1 ) 最大效率为： l 力 = 一 吖一l + q r 2 2 k 磊绋) ) 1 3 2 压电变压器对材料的要求 为了得到高升压比和高效率的压电陶瓷变压器，必须对压电材料有以下要求： l 、较高的机电耦合系数k 。因为机电耦合系数k 是一个综合反映压电陶瓷的机 械能与电能之问藕合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反 映。对于r o s e n 型压电变压器，要求压电材料有高的玛，和k ，- 。 2 、高的机械品质因数绋。既是表征压电陶瓷材料机械损耗大小的物理量， 绋越大，机械损耗越小。大的级有助于降低压电变压器工作状态下的能量损耗， 减小器件发热量，提高输出功率。 3 、 低的介电损耗。介质损耗t a n 6 是无功分量与有功分量的比值，它反映出 压电变压器在交变电场作用下，由于发热而导致的能量损耗。 4 、较高的频率稳定性和时间稳定性。压电变压器升压比的高低与频率直接有 关，变压器的输出电压只有在谐振频率附近才达到最大值：若偏离谐振频率，电压 下降幅度就很大，这是压电变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在较 宽的频率范围内工作。此外，压电变压器的谐振频率会随温度的变化而变化，当 环境温度发生变化或变压器本身因机械和介质的损耗而发热时，将会引起谐振频 率的漂移。当用固定频率信号激励时，谐振频率的漂移会因其输出电压的变化， 从而影响高压电源的稳定工作。因此，用于压电变压器的压电陶瓷材料还应有较 好的频率稳定性和时间稳定性，以保证变压器在变化的环境温度和长期使用过程 中性能的稳定。压电变压器在工作时既要承受大的输入电信号，又要在谐振时产 生大的应变，所用的材料要能避免因机械疲劳引起的材料压电常数的劣化，又要 能耐较高的交流电场和有足够的机械强度。 7 山东大学硕士学位论文 1 4 压电陶瓷变压器的研究进展及存在问题 国内外压电陶瓷变压器的研究主要集中在两个方面：新型压电材料的研究和 压电变压器振动模式及几何形状的研究。 日本富士通利用l i n b 0 3 单晶制备了1 5 m m x1 5 m m x0 5 m m 的小型压电变压器，工 作频率为4 m h z ，输出功率达到了3 0 w - - 一4 0 w 。但单晶的生长要求环境苛刻，价格昂 贵不宜于批量生产应用。美国主要有宾州州立大学著名的s m a r tm a t e r i a l s 实验 室、德州仪器公司、m o t o r o l a 公司，欧洲有德国西门子公司、荷兰的p h i l i p s 公司、 法国的阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所以及以色列、韩国的n a n ot r o n i x 公司和我 国台湾的多家公司等都开展了压电陶瓷变压器研究和开发。日本几乎所有大的公 司如n e c 、e p s o n 、t o k i n 、m i t s u b i s h i 、本田( h o n d a ) 、村田制作所( m u r a t a ) 、 p a n a s o n i c 、京陶( k y o c e r a ) 等公司以及东京工业大学和山形大学研究机构都投入 到压电陶瓷变压器的研究和开发中。 2 0 0 7 年1 0 月，中科院上海硅酸盐研究所铁电光电晶体与器件研究课题组利用 弛豫铁电单晶材料优异的压电性能设计和制备了r o s e n 型压电单晶变压器。制备出 的变压器开路升压比达j i l j l 3 8 ，功率密度约是同种型式p z t 陶瓷的4 倍，驱动0 5 w 的 冷阴极灯，效率达至u 9 5 以上，目前功率初步达到1 w 左右。国内西安康鸿信息技术 股份有限公司实现了多层压电陶瓷变压器的规模化生产。 虽然国内外各大科研机构和公司在压电陶瓷变压器方面取得了一定的技术上 的突破和经济上的效益，但目前仍然存在以下问题： 1 、产品化的原材料，基本上含铅 2 、无铅压电材料的压电活性不高、机械品质因数q m 较低、平面机电耦合系 数l ( d 较低 3 、无铅压电陶瓷变压器的升压比较低 4 、无铅压电陶瓷变压器的输出功率较小 5 、驱动电路不能自动扫描谐振频率 6 、输入端阻抗匹配仍离不开电磁式的变压器 8 山东大学硕士学位论文 1 5 压电高压发生器的应用需求 压电变压器同传统的铁心绕线电磁式压电变压器相比有以下优点： 1 、体积小，重量轻。 2 、无噪声，无电磁干扰，无需电磁屏蔽。 3 、耐高温，安全性高，不会被高压击穿，不会燃烧。 4 、无需磁芯和铜线，可节省有色金属材料。 5 、升压比大，转换效率高，输出波形好。 6 、结构简单，制作简便，易于批量生产。 7 、抗盐雾，耐候性好尤其适于海洋性气候使用。 目前压电陶瓷高压发生器已广泛应用在液晶显示器中的背景光源、电视显像 管、雷达显示管、静电复印机高压电源、静电除尘、负离子发生器、小功率激光 管电源、高压极化电源、警用电击器高压电源等领域，据估计目前每年压电高压 变压器有2 5 0 0 至u 3 0 0 0 万美元的市场，成为传统的电磁变压器的最有力替代者。 1 5 1c c f l 驱动器 冷阴极荧光灯( c c f l ) 是填充了惰性气体的密封玻璃管。当在管子上加高压时， 气体电离产生紫外( u v ) 光。u v 光激励内部磷光粉涂层，产生可见光。c c f l 作为液 晶显示器( l c d ) 最佳的白背光源得到广泛的应用，c c f l 效率很大程度上受驱动 灯管的电流波形的影响。正弦波形可提供最好的效率。相反地，振幅因数很大的 非正弦波形不是高效的c c f l 驱动信号。图i - 4 显示的是具有相似r m s 电流的两个 电流波形。虽然高振幅因数波形与正弦波形具有相同的r m s 电流，但其超出正弦 波形的1 5 0 峰值幅值的电流漂移并不产生额外的光，而是仅产生热。这意味着工 作在高振幅因数波形下的系统，其电气功率转化为亮度输出的效率被降低很岁1 4 】。 c c f l 设计用于运行在特定额定电流下，典型值范围是3 m a r m s 至8 m a m s ，在接近标 称额定工作电流时，灯管的亮度按照与灯管电流成几乎l ：1 的比率关系变化。 9 山东大学硕士学位论文 图1 - 4c c f l 驱动电流特性曲线 c c f l 工作及启辉电压是根据灯管长度和直径而定的。工作电压是随灯管长度 增加而升高，直径小的灯管需要更高的工作电压。在电离发生之前，灯管上的阻 抗为几兆欧姆级的；在典型应用中，几乎可看成是纯容性的。在电离开始时，电 流开始流入灯管，其电阻很快跌落至几百千欧姆级，几乎可看成是纯阻性的。为 降低灯管压力，启辉波形应是对称的、不带尖峰的线性正弦波斜坡。c c f l 具有表 现为“负阻的非一般特性，也就是说当电流增加时灯管电压降低。 传统的电磁高压发生器，前级输入多为p w m 方波，输出波形谐波成分很高，对 c c f l 寿命非常不利，同时鉴于c c f l 的特点，传统电磁高压发生器输出电压不能随 c c f l 的点燃而降低，进而转入输出工作电压状态，因此不能满足c c f l 的驱动特性 要求，压电陶瓷高压发生器恰能满足其特性需求，是最佳的替代产品。 1 5 2 氙气灯启动器 氙气灯是利用氙气放电而发光的电光源。具有以下特点：辐射光谱能量分布与 日光相接近，色温约为6 0 0 0 k ；连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无 关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。广泛适用于广场、公园、体育场、大 型建筑工地、露天煤矿、机场等地方的大面积照明，用作电影摄影、彩色照相制 版、复印等方面的光源。因为它发光接近日光，所以可用于布匹织物的颜色检验， 1 0 山东大学硕士学位论文 药物、塑料的老化试验，植物栽培、光化学等方面充当人工老化的光源和模拟日 光。氙灯的弧光放电需依靠高频高压脉冲击穿来启动，由于输入电流的导通 角过小，使用电磁升压变压器会造成严重的电网谐波污染。而压电变压器是 谐振型器件，可以杜绝谐波污染，且具有体积小、耐高压、输出短路自动保 护等特点，非常适用于氙气灯启动器。 此外，压电变压器还广泛的应用于高压除尘、静电植绒、静电喷涂、空气净化、 负离子发生、高压极化、x 射线驱动、激光管驱动等。 1 6 本论文研究的内容 无铅压电材料其压电活性不高、机械品质因数q m 、平面机电耦合系数k p 较低， 使用无铅压电材料的变压器的升压比不够高等因素阻碍了压电变压器的无铅化进 程，致使无铅压电变压器还没能进入实用阶段。本论文试图从目前无铅压电变压 器自身参数特性出发，配备一种具有预升压功能的驱动电路以弥补p t 升压比缺陷， 设计扫频自适应半桥驱动电路，并配以单片机实时测控、智能跟踪、自动识别压 电变压器的谐振频率，以期使p ，r 处于稳定工作的最佳状态。对无铅压电变压器在 高压发生应用方面做了有益的探索，推进无铅压电变压器的实用化进程。 本论文共分以下几部分： ? 第一部分：主要介绍压电相关基本理论，综述压电变压器研究的最新进展，围 绕目前压电变压器的缺陷( 铅污染、无铅材料不能满足应用需求) ，提出通过电路 补偿以实现无铅压电变压器的实际应用这一研究课题。 第二部分：建立单层薄圆片压电变压器的等效电学模型，推导升压比表达式、 输出功率表达式，分析影响压电变压器效能的相关因素。采用 k n n t + i 0 m o i k c n + 0 5 m 0 1 m n 0 2 配方研制的薄圆片压电变压器，并通过a n s y s 模拟，进一步优化薄圆片压电变压器的输入输出电极面积。 第三部分：通过对b o o s t 电路的分析，基于压电变压器特点设计了可程控的预 升压电路，输出电压3 0 - 9 0 v 程控可调，并对其特性进行了m u l t i s i m 模拟和测量。 结果表明完全适用于无铅压电变压器。 第四部分：结合压电变压器特点，优化半桥电路，去掉体积较大的电感，同时 山东大学硕士学位论文 应用a v r 单片机，设计了具有谐振频率自动识别、跟踪最佳动态工作点等功能的 半桥式驱动电路，并对驱动输入进行阻抗匹配分析。 第五部分：设计了基于无铅压电变压器的c c f l 高压驱动器，但由于压电变压 器是高电压、低电流输出，目前还不能成功点亮c c f l 。基于无铅压电变压器的高 电压、低电流输出特性，设计了用于压电材料极化的高压极化装置，并成功运用 于本课题组专业实验室。 第六部分：整个论文工作的总结和后续工作展望。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章薄圆片压电变压器 2 1 薄圆片压电变压器的理论建模 薄圆片压电变压器结构如图2 1 所示：外径为r ，切割半径为如，中心电极 半径r i ，厚度h ( h r ) ，垂直电极方向极化，外环电极为输入电极，中心圆电 极为输出电极，底面全电极为公共电极。以底面圆心为原点，建立柱坐标r - 0 z 。 囝钾 廿子ii = o i - - - - h 图2 1 a 薄圆片压电变压器结构图2 1 b 结构抛面图 2 1 1 振动模式分析 压电陶瓷的对称性与六方晶系6 m m 点群的对称性相近，其压电方程的矩阵表 示为 2 】： s ， s o s z s ， s r e t e o e o i l0 1 2 j 点s 矗 j 舌s 磊 oo oo 00 s 磊0 00 j 矗0 00 s 轰0 00 0 j 乞0 0 0 0 s 乞0 0 00 2 ( j 矗一s 二) z 乃 互 乙 + 00 d 3 l 00 d 3 l 00 d 3 3 0 d 1 5 0 d 1 5 00 ooo ( 2 1 a ) 1 3 山东大学硕士学位论文 刚曼 巨一警，岛一瓷e g - - d 一警饼 to b。oz 在柱坐标中，微分方程为： 生+ ! 盟+ 堕+ 生= p a rr0 0a z r 。 其中，“，、”o 、“：分别是径向、。 驴娑o r ，驴笔塑0 0 ， 、 rr s r 0 _ 10 u r - + 警一了u o q u 出一 s z r 1 4 + 瞄卦 横向位移，p 是密度。 ( 2 1 b ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) ( 2 4 e ) ( 2 5 a ) ( 2 5 b ) ( 2 5 c ) ( 2 5 d ) 1j 巨易疋 0 0 z 乃z 乃 1j 0 o o 5 “o 0o 九o o o 如 o 0 “ = d 一切堡玉氰h厂 讯堕阳 对 1 一厂 轴 + z印一驴靴堡升 盟铲半堡如盟阳珥石 监铲 p = 堕厂 + 盟瑟 + 堕阳o ，盟加 塑酽 眦i 堕玉 + 丝阳1 _ _ 一厂 札i + 堕加 = 山东大学硕士学位论文 由于圆片很薄( h 02 时，最大效率可达8 9 。 薄圆片压电变压器的驱动端是横场模式，发电端也是横场模式，在仅有径向 振动时，其升压比及效率与平面机电耦合系数有关。由l 述推导可知；薄圆片压 电变压器的升压比及效率与平面机电耦合系数“，、机械品质因数o m 、输入电极 面积及输出电极面秘有关。 压电变压器的升压比和效率部与负载有直接的关系，一般情况下升压比随者 负载阻值的加人而增加，但效率会在r = 1 ，( 峨e ) 时达到最大，此时的输出功率也 达到最大值。 22 2 电极位置及大小对压电变压器性能的影响 据文献报道【”l ，经过a n s y s 有限元法模拟，薄圆片压电变压器的径向振动模 式，在其谐振频率和反谐振频率下，薄圆片做纯粹的径向扩张振动，而在这两个 频率之外，薄剧片z 方向会产生较大的位移，使变压器产l 扭曲振动。因为扭曲 振动引起压电变爪器一部分突起，另一部分凹陷，这样就抵消了一部分变形量， 因此引起的总变形量不如纯粹径向扩张振动引起的总变形量大，能量转换效率也 就不够高。扣曲振动引起的压电变压器陶瓷片内部应力分布不均匀，假如陶瓷片 内部存在较多的气孔，致密度和机械强度不够高，过于剧烈的扭曲振动极易引起 陶瓷片的龟裂损坏。扭曲振动会降低导线和电极之| 盲的连接可靠性，容易使引出 导线从电极上脱落。在谐振频率及反谐振频率下电压分布如图2 3 所示。 繁宅 聚薯 馘 疆 1 - - _ n 一 图23a n s y s 分析电荷分巾情况 观察在不同频率下的电压分布可知，薄圆片中心电极的电压在谐振频率下最 甄甄臻 山东大学硕士学位论文 高，其电荷分布如图2 - 4 所示。径向振动薄圆片的最大受力处是圆心，因此，中 心电极作为输出电极可以获得较大的输出电压。 v i 图2 4 薄圆片压电变压器电荷及应力分布 在负载阻值固定的情况下，最大电压增益随着输出电极半径增大而减小，这种 情况应该是输出电极半径增大时，输出电极上出现了不同极性的电荷，降低了有 效输出电压。输出电极位于压电变压器第一节点内侧时，输出电极会因正压电效 应的作用而产生单一极性的电荷，此时压电变压器的升压比最高。 2 2 3 夹持位置对压电变压器性能的影响 在谐振频率下，其径向零位移位于薄圆片圆心，此处作为夹持点，同时用于电 极输出线的连接点，可以防止因夹持而导致的能量损失及引线脱落。对于一次泛 音振动模式，不仅圆片中心为零位移，其四分之一处也为零位移，此处可作为输 入引线的连接点。利用a n s y s 有限元法模拟径向振动模式，小心选取输入电极和 输出电极的分割圆，可以使输出电极出现单一极性电荷晟大，从而获得最高输出 电压和最高升压比。 2 2 4 薄圆片压电变压器的特性 薄圆片压电变压器同其他类型压电变压器相比有下不同： 1 、就极化方向而言，薄圆片压电变压器为单一极化方向且以z 轴厚度为极化 方向，而r o s e n 型压电变压器拥有两个极化方向，驱动端极化方向为厚度方向， 发电端极化方向为长度方向。为使人工极化充分，必须选择合适的电场、温度和 时间。极化场一般应为矫顽场的3 4 倍。极化温度应较高以降低矫顽场。极化时间 长一些有利于非1 8 0 。的畴转向。一般所需电场强度为3 k v m m 一5 k v m m ，温度 山东大学硕士学位论文 1 0 0 。c 一1 5 0 。c ，时间5 2 0 分钟【2 1 。薄圆片压电变压器厚度一般为1 - 2 m m ，所需极 化电场3 k v - 1 0 k v ，由于极化方向为单一方向，可以对驱动端和发电端同时极化， 极化方便。而r o s e n 型压电变压器发电端长度远大于驱动端厚度，所需的电场高 达数十万伏高压，一般需要在高温的条件下进行极化( 高于居里点1 0 。c 一2 0 。c ) ， 驱动端则无需高温极化。驱动端和发电端无法同时极化，且在高温下，已经极化 的部分极易退极化，这给人工极化带来较大的困难。 2 、就外形体积而言，薄圆片压电变压器为圆盘状且厚度浇薄，极易批量生产 及安装夹持，但r o s e n 型压电变压器为长条状且厚度较厚。有上节推导过程可知： 薄圆片压电变压器的输入电极面积必须大于输出电极面积以获得较高的电压增 益，r o s e n 型压电变压器也有类似状况。 3 、压电变压器的谐振频率与外形尺寸有直接的关系，外形尺寸越大，其谐振 频率越低，薄圆片压电变压器的谐振频率要远高于r o s e n 型压电变压器的谐振频 率，完全工作在超声频段，不会产生噪音污染。 4 、就工作模式而言，由于薄圆片压电变压器工作于横一横模式，其升压比较 低，而r o s e n 型压电变压器工作于横一纵模式，其升压比较高，这限制了薄圆片 压电变压器在高压升压方面的应用。但薄圆片压电变压器比r o s e n 型压电变压器 的能量密度高，可以应用于降压型、大功率的场合。 厅 5 、k p 远高于l 。l ，有利于提高器件的功未。 由于k v2 、f ：与t ，常见的 仃0 3 ，k p 要比k 3 1 大6 9 ，所以，从