（电路与系统专业论文）降压压电变压器原理分析与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 压电变压器具有重量轻、体积小、无电磁干扰、效率高等突出优点，在越来越多的 领域可以取代传统电磁变压器，具有广阔的应用前景。相对于升压型压电变压器，降压 压电变压器研究起步较晚，缺乏对降压原理的认识，通常采用叠层结构达到了理想的降 压效果，但叠层压电变压器存在制造技术复杂、批量生产一致性差、成本高等缺点。针 对这一问题，本文对降压压电变压器进行原理分析，总结降压设计的一般思路，并提出 新型圆盘状单层径向振动降压压电变压器。 首先，基于压电变压器集总参数等效电路模型，推导了压电变压器的电气特性表达 式，并将目前广泛商用的r o s e n 型升压压电变压器反接，进行降压特性分析。结合理论 推导，总结设计降压压电变压器的一些规律，提出共地型、浮地型单向极化和双向极化 压电变压器三种结构，采用c o m s o lm u l t i p h y s i c s 有限元分析软件分析了提出的三种结 构压电变压器位移分布和输入阻抗特性。 其次，制作设计的三种结构降压压电变压器，使用a g i l e n t 4 2 9 4 a 阻抗分析仪测量 共地型单向极化压电变压器等效电路模型参数，利用m a t l a b 分析了其电压增益、效 率、输出功率等电气特性，并结合实验测量结果分析了内径尺寸变化对共地型单向极化 压电变压器电气特性的影响。实验还测量了浮地型单向极化和双向极化压电变压器结构 压电变压器的电气特性，结果表明：同一尺寸共地型和浮地型压电变压器具有一致的电 气特性；三种结构的降压压电变压器都能实现较理想的降压效果，其中单向极化压电变 压器电压增益可以达到0 1 1 ，效率9 2 以上。将浮地型压电变压器进行串并、串串联 接，推导两种联接方式与单片压电变压器电气特性的联系，m a t l a b 电路仿真结果及 实验测量证明：串并联接、串串联接均能进一步降低电压。 最后，设计了基于内径7 m m 的浮地型压电变压器的a c d c 转换器，得到3 v - 1 0 v 稳定的直流电压，输出功率3 8 w 以上，证明了设计的降压压电变压器可以用于小功率 供电设备。 关键词：压电变压器；降压；径向振动；a c d c ；有限元分析 大连理工大学硕士学位论文 t h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs t e p d o w np i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r a b s t r a c t b a s e do nt h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，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 dh i g h e m c i e n c y ，p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r u l e r ( p t ) c a l lr e p l a c e c o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c t r a n s f o r m e ri nm o r ea n dm o r ef i e l d s a n di ts h o w sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s a tp r e s e n t ，t h e s t u d yo fs t e p d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ri sb e h i n dt h es t e p - u pp i e z o e l e c t r i ct r a n s f 0 1 t n e r a n dt h e r ea r en ot h e o r i e sa b o u tt h ep r i n c i p l eo fs t e p d o w np t t h es t r u c t u r e sw i t hg o o d s t e p d o w ne f f e c tf o c u so nm u l t i 1 a y e rs t r u c t u r e s ，w h i l et h e r ea r ed i f f i c u l t i e si nt h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ep r i n c i p l eo fs t e p d o w np to nv o l t a g er e d u c i n g i s a n a l y z e da n dan e wd i s ks i n g l el a y e rr a d i a lm o d ep i e z o e l e c t r i cs t e p d o w nt r a n s f o l r m e rw i t l l h i g h e rs t e p - d o w n r a t i oi si n t r o d u c e d f i r s t , b a s e do nt 1 1 ep tl u m p e d c o n s t a n te q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ee x p r e s s i o n so ft h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp ta r ed e d u c e d a n dt h er o s e nt 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 w h i c hi sw i d e l yu s e di nc o m m e r c ei sr e v e r s e dt oa n a l y z ei t sv o l t a g er e d u c i n gc h a r a c t e r c o m b i n e dw i t ht h et h e o r y ，t h eg e n e r a lr u l e si nd e s i g n i n gs t e p d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r i ss u m m a r i z e d ，t h e nt h eu n i p o l e dp t 晰t hc o m m o ng r o u n d ，u n i p o l e dp tw i t hf l o a t i n gg r o u n d a n db i p o l e dp ta r ep u tf o r w a r d t h er a d i a ld i s p l a c e m e n ta n di n p u ti m p e d a n c eo ft h e s et h r e e k i n d so fp ta r ea n a l y z e db yc o m s o lm u l t i p h y s i c sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e s e c o n d t h ed e s i g n e ds t e p d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r si sf a b r i c a t e d ，a n d t h e e q u i v a l e n tc i r c u i tp a r a m e t e r so fu n i p o l e dp tw i t hc o m m o ng r o u n d a r em e a s u r e db y a g i l e n t 4 2 9 4 ap r e c i s i o ni m p e d a n c ea n a l y z e r b a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l s ，t h e c h a r a c t e ro fv o l t a g eg a i n e f f i c i e n c ya n dn o r m a l i z e do u t p u tp o w e ri so b t a i n e db ym a t l a b c a l c u l a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h ev o l t a g eg a i na n dn o r m a l i z e do u t p u tp o w e rv e r s u sf r e q u e n c yo f f o u rd i f f e r e n ts i z e so fp tw i t hc o m m o ng r o u n da r et e s t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s i z ea n dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu n i p o l e dp t 、析t hc o m m o ng r o u n da r eo b t a i n e d 珊l a t sm o r e t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu n i p o l e dp tw i t hf l o a t i n gg r o u n da n db i p o l e d p ta r ea l s om e a s u r e d a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e ro fu n i p o l e dp tw i t l l f l o a t i n gg r o u n di sc o n s i s t e n tw i t ht h eu n i p l e dp t 、析t hc o m m o ng r o u n d ，a l lt h et h r e ek i n d so f p tc a nr e a l i z ei d e a lv o l t a g er e d u c i n gc h a r a c t e ra n dt h eu n i p o l e dp tw h i c hi n t e r i o rd i a m e t e ri s 7i n n lc a nr e a l i z eg a i n0 1 1 e 伍c i e n c y9 2 1 1 1 es t e p d o w np t 、i t hf l o a t i n gg r o u n di s c o n n e c t e di ns e r i e s p a r a l l e la n ds e r i e s s e r i e s b o t ht h ec o n n e c t i o n sa r ep r o v e dt or e d u c et h e v o l t a g ef u r t h e rb ym a t l a bs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t i i i 一 降压压电变压器原理分析与设计 一_ _ 。 一l _ f i n a l l y ，a s 锄a p p l i c a t i o n ，aa c - d cc o n v e r t e rw i t hs t e p d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r w h i c hi n t e r i o rd i a m e t e ri s7m l ni sd e s i g n e d ，a n d3 v - 10 v o u t p u tv o l t a g e a b o v e3 8 wo u t p u t p o w e r c a l lo b t a i n e d i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g n e ds t e p d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rc a l lb e u s e di nt h el o w p o w e rs u p p l yd e v i c e k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ：s t e pd o w n ：r a d i a lv i b r a t i o n ；a c d c ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：磴巫压壹红茎屋煎金堑箜! 塾! 士 作者签名：盆丕i 矗 日期：地盘年垒月韭日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 隆压压鱼童亟墨筮塑金登兰全注 作者签名：猃筮遂日期： 塑望墅年丝月j 型日 导师签名：二董兰拿查l 一 日期：j 盟年垒月三立日 人连理l ：大学硕十学位论文 1绪论 1 1课题来源及意义 随着电子元器件向片型化、微型化和集成化方向发展，传统的电磁变压器面对这一 挑战显得有些力不从心。在使用电磁变压器的电子系统中，变压器往往占据了整个系统 的很大一部分体积，而且变压器所产生的电磁干扰对于电子系统来说也是很棘手的问 题。压电变压器( p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r , p t ) 作为一种新型电子器件，与传统的电磁变 压器相比，具有以下优点： ( 1 ) 体积小、重量轻； ( 2 ) 转换效率高，最高效率可以达到8 5 以上； ( 3 ) 由压电陶瓷材料构成，耐高温、不怕燃烧，使用时不会击穿，节约有色金属； ( 4 ) 通过电能机械能电能转换实现电压变换，无电磁干扰； ( 5 ) 具有短路自动保护功能。 可以预言，在电子领域的未来几年中，压电变压器必将大规模地代替电磁变压器， 当然电磁变压器在电力领域还是会继续发挥其巨大作用的【卜2 1 。压电变压器根据电压增 益分为两种，一种是由低压变成高压的升压压电变压器，另一种是由高压变成低压的降 压压电变压器。升压型压电变压器的研究从2 0 世纪5 0 年代开始，最早是c a r o s e n 研 制的一种新型升压型的压电器件，但由于在升压比、输出功率方面不尽人意，因而没有 得到人们的重视。随着锆钛酸铅等新型压电材料的出现及制作工艺的进步，升压型压电 变压器取得了显著的进展，已应用于电视显像管、雷达显示管、静电复印机、静电除尘、 小功率激光管、离子发生器、高压极化等高压设备中。降压型压电变压器现在仍处于研 究开发阶段，只有个别的产品投入生产，可以用于降压型电源。 本课题受到大连市科学技术基金“低压压电变压器及其驱动电路研究的资助，主 要工作是：压电变压器电路模型分析；降压压电变压器振动模式分析及其结构优化；设 计降压压电变压器并将其用于a c d c 转换电路。课题的意义在于通过对压电变压器进 行电路和结构分析，为设计降压压电变压器提供理论基础；提出新型的变压器结构，为 实现较大降压比提供新的设计方法；用压电变压器代替电磁变压器，试制小型化a c d c 变换器，尝试为仪器仪表提供小功率稳压电源。 1 2 降压压电变压器概述 上世纪9 0 年代以前，小功率、小尺寸的电源变压器的市场需求量较小，市场上可 供选择的压电变压器产品少，加上电子设备设计者和生产商对压电变压器了解甚少，导 降压压电变压器原理分析与设计 致降压压电变压器的研究落后于升压型压电变压器。9 0 年代以后，信息产业发展迅速， 电子设备的小型化、片型化成为当今国内外发展趋势，在此背景下，降压型压电变压器 越来越受业界的关注，已经开发出来的产品有手机充电器、笔记本电脑的电源适配器等。 同升压型压电变压器一样，降压p t 工作原理也是利用压电材料的压电效应实现电 压变换的。在输入端用j 下弦电压信号驱动，通过逆压电效应转换成机械振动能，输出部 分再通过正压电效应转变成电能，在压电片的电能机械能电能的机电能量的二次变换 中实现电压变换。 从能量变换的方式来看，无论在输入部分或者输出部分，都可能有两种能量变换方 式：横向变换，压电元件电极间电场的方向和声波传播方向垂直；纵向变换，压电元件 中电场的方向和声波传播方向平行。按照从输入部分和输出部分能量的变换方式来分， 压电变压器有纵纵型、横纵型、横横型、纵横型等。 按照振动模式来分，压电变压器有长度振动型、厚度振动型、剪切振动型、径向振 动型等。 1 3 降压压电变压器的研究现状 从目前压电变压器应用的状况看，主要是以升压为主，已用于笔记本电脑液晶显示 器、静电除尘器、离子发生器、小功率激光管和高压电源等。 降压型压电变压器还处于研发阶段，主要用于电源设备等。在降压p t 领域r 本一 直处于领先地位，n e c 公司设计的厚度振动型p t 、长度振动降压p 1 r 、轮廓扩张降压 p t 已经进入实用阶段，日本的其他大公司例如t o t o 、t o k i n 、m i t s c h b i s h i 、京陶( k y o c e r a ) 等以及日本部分高校都投入到压电陶瓷变压器的研究和开发中。美国宾州州立大学著名 的s m a r tm a t e r i a l s 实验室提出既能升压也能降压的压电变压器、f a c e 公司申请多项专 利、新加坡南洋理工大学成功获得多路输出压电降压变压器、韩国首尔大学研制出轮廓 扩张降压盯、西班牙马德里自治大学研制的环形中间穿孔厚度振动降压p t 可以用于手 机充电器。 降压压电变压器的研究多集中于国外，国内研制压电变压器的单位主要有中国电子 科技集团公司第2 6 研究所、上海硅酸盐研究所、西安康鸿信息技术股份有限公司、中 荷合资的北京汉之源有限公司以及清华大学、西安交通大学等高校。其中北京汉之源公 布在低压技术上实现突破，能够生产电压从3 3 v 一2 8 v ，功率从5 w 1 0 0 w 的多个系列 a c d c 变换器。但国内整体而言，降压压电变压器的研究起步晚，缺乏具有自主知识 产权的新突破。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 目前国内外对压电变压器的研究主要集中在材料、结构和驱动电路三方面。 1 3 1 材料研究 由于压电变压器是利用机电能量的二次变换在谐振频率上获得电压输出，因此要求 材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因数q m ，以获得小的机械损耗和介质损耗。 此外还要求材料的频率稳定性好，机械强度高，以承受工作时的强振动。 未经改性的p z t 材料各项性能指标往往达不到压电变压器材料的要求。通过对p z t 材料进行掺杂，可以改善p z t 材料的性能。例如在p m n p z t 材料中掺入适量的c e 0 2 烧结出组成为p b o 9 4 b a o 0 6 ( z r o 5 2 t i o 4 8 ) o 9 2 5 ( m n l 3 n b 2 3 ) o 0 7 5 0 3 + 0 2 5 c e 0 2 ( 掺杂量为摩尔分 数) 的压电材料，可减小材料的晶胞参数，提高材料的机械品质因数q m 和机电耦合系 数p j 。在p n w - p m n p z t 材料中掺入适量的p b o 、f e 2 0 3 和c e 0 2 烧结出组成为 p b o 9 4 s r o 0 6 ( n i v 2 w v 2 ) o 0 2 ( m n l 3 n b 2 3 ) o 0 7 ( z r o 5 1 t i o4 9 ) 0 9 1 0 3 - - 0 5 p b o + o 3 f e 2 0 3 + 0 2 5 c e 0 2 ( 掺杂量为质量分数) 的高介电常数、高机械品质因数和谐振频率温度稳定性好的压电 变压器材料1 4 j 。在p m n p z t 材料中加入微量的p n n 固溶体，得到成分为 p b ( n i , 3 n b 2 ，3 ) o o l ( m n , 3 n b 2 3 ) o o s ( z r o 5 0 5 t i o 4 9 5 ) o 9 1 0 3 + 0 5 p b o ( 掺杂量为质量分数) 的压 电材料，不但可以提高材料的相对介电常数和机电耦合系数，还可以降低材料的烧结温 度【5 】o 在材料方面，通过在p z t 材料掺杂适量其他材料来降低烧结温度、提高机电耦合系 数和机械品质因数q m 是目前研究的主流。 1 3 2 结构研究 降压压电变压器在计算机、手机、摄像机等的a c d c 适配器中有着广阔的应用前 景，可以减小a c d c 适配器的体积。从其应用角度出发要求设计的压电变压器能够传 输较高的功率、输入和输出部分实现地隔离、实现理想的降压效果和较高效率等。总结 目前压电变压器结构研究现状，按照振动模式可以分为以下几类： ( 1 ) 厚度振动型 1 9 9 2 年n e c 公司开发出一种厚度振动降压p t 【6 j ，输入部分为单层结构，输出部分多 层叠加，利用输入、输出层数比实现降压，如图1 1 所示。其特点是谐振频率高达2 m h z ， 能量密度高，功率密度为1 6 w c m 3 ，电压增益为0 4 ，效率达到8 0 以上，尺寸小。缺点 是散热不好。 降压压电变压器原理分析与设计 图1 1 厚度振动型压电变压器 f i g 1 1 t h i c k n e s sv i b r a t i o np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 图1 2 所示为西班牙马德里自治大学提出的厚度振动型压电变压器，通过中间穿孔的 方法，很好地抑制了寄生振荡，突破了以前叠层厚度振动多采用性能不佳的p b t i 0 3 材 料的传统f 7 j ，用于手机充电器。 一圈 捌渤型二趋霎 ( 2 ) 径向振动模式 s h a s h a n kp r i y a 等人设计了既能升压也能降压的变压器结构【8 9 l ，如图1 3 、1 4 所示。 图1 3 结构相当于三个单层结构并联，外环输入内圆输出时，提高电压，变压比为4 2 ， 效率为9 2 ；内圆输入外环输出时，降低电压，变压比为0 5 0 6 ，效率为9 5 。图1 4 所示结构，外环输入内圆输出时，提高电压，变压比为9 5 ，效率为9 7 ，输出功率达 到5 w ；内圆输入外环输出时，降低电压，变压比为0 2 l ，效率为9 2 ，输出功率达到 6 w 。 图1 3 多层径向振动剖面图 f i g 1 3 p r o f i l eo f m u l t i l a y e r e dr a d i a lv i b r a t i o np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 一4 一 人连理r ：人学硕+ 学位论文 ( a ) 降压 ( b ) 升压 图1 4 径向压电变压器降压及升压连接 f i g 1 4s t e p - d o w na n ds t e p u pc o n n e c t i o no fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ( 3 ) 长度振动模式 n e c 公司研制的一种典型的长度方向叠层的变压器【1 0 】如图1 5 所示，工作在长度振 动模式，已经用于笔记本电脑的电源适配器中，取代传统的压电变压器，其尺寸为 3 0 m m x8 m m x5 m m 。缺点是散热不好。 葶色啦拿 纽f i d i s p 鞋札 斗矿渐s s 岍嗲粤甲p l t i m u l m i 矗 图1 5 长度方向叠层长度振动型压电变压器 f i g 1 5l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o np tm u l t i - l a y e r e d i nl e n g t h 图1 6 厚度方向叠层长度振动犁压电变压器 f i g 1 6l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o np tm u l t i l a y e r e d i nt h i c k n e s s 另外，日本t o t o 公司提出一种工作在长度伸缩模式的结构1 1 1 l ，如图1 6 所示。其变 压比可以通过控制输入输出层数比限制在o 1 1 o ，且效率都在9 0 以上。 ( 4 ) 轮廓扩张模式 韩国首尔大学研制一种单层工作在轮廓扩张模式1 1 2 j 降压型p t ，如图1 7 所示，谐振 频率为7 2 4 k h z ，输出功率可以达到1 2 w ，负载为8 0 0 q 时电压增益为0 5 6 ，但此种结 构二次模式以上就会出现寄生振荡，一般工作在基频模式下。 阡j # 佧叱娈| t 揣臆理分析与醴r r 圄 、mj m m u l 纠i7 轮口帅怅。川i 、电业m 措 f i gl 7c o n t o u rv i b r a l i o np k z o e l e e l r i ct r a n s f o r m e r n e c 处n 1 世汁j ”jf ：作存轮廓扩张模式、厚度方向f 一叠层、也栅形状为蹦形 1 4 x 1 4 x 58 r a m 3 的降脏型p t ，如蚓1 8 所示，j e 输出功率为2 6 w ，效率j , j 9 63 谐振频率 为1 3 5 k h z ，电压增益为04 。输入洲j ，如h 所示分成曲粥分，是为r 抑制弯曲振动引起 的寄牛振荡。b h x , j _ 。罔11 j j l i 小的厚度振动犁变压器，结构更紧凑。但敞热u 儿羊i ! 也小= 。 ”， 一一 ：三二= 、，懈。州 幽1 8 多层轮廓打张刑爪电娈 ：器 f i g18 m u t il a y e r e dc o i l o u rv i b r a t i o np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ( 5 ) j 早度剪七u 模式 罔1 9 所示为新加坡南；r 理i 。大学提的厚度剪切型m i u 变m 措【“i ，尺、j 为 1 2 0 x 2 0 x 4 m m 3 ，此结构的突出特点是：具有暇个输出端i 作在厚度切变模式，容易 4 实现大功率输出，第一、一输“ 邢分功率分刖选1 2 95 w 和4 03 w ，是目们至今所见压 b 变器最大的输出功率：f u 、增懿分别为07 6 和05 i ；始商效率为9 5 ，谐振频率 黑 7 鸶 人连理人学硕+ 学 市论文 分别为2 7 8 k t l z 和2 8 4 k h z 。此结构缺点足对于降压变压器而言，电压增益过大，降压效 果不理想。 ! ，； 吲1 9 厚度蜉切振动型乐电变 f 、器 f i g1 9 t h i c k n e s s - s h e a rv i b r a l i o np i e z o e l e c t r i ct n n s f or t t l e r f 6 ) 高次振动模式 目1 1 0 所不为高次振动模式降压压电变压器结构示意阿，通过改变压 乜变爪器 输入部分、输m 部分段数比来得到需要的f 乜压增益。但这种结构的电压增益不能低丁 o2 5 ，甭则，输入部分和输出部分的体积之差过大，会使压电元件功率密度减小。 幽1l o h 敬模式振动降压乐电变胝器 f i gl 1 0 s t e p - d o w np i e z o e l e c t f i ct r a n s f o r m e ri nf i f t hv i b r a t i o nm o d e 为进一步增强降压效果，町以通过捍在电极上的引线或者采用打扎的方式实王见输入 部分、输出部分各段串并联，这样可以在较宽的范围内调节变比，立【】图11 1 所示。但此 结构采用引线会导致变压器接线复杂，工作可靠性差且极化次数增加；采用打孔方式导 致生产工艺复杂。 j 盆盆 = _ = 工= _ 。 。堡蚪乏= = 型。 幽l1 1 输 、输出波段串并联接掣降伟胀电变h 器 h 9 1 1 1s t e p - d e w nd l l e c t n c t r a n s f o r i t l e ro f 降压压电变压器原理分析与设计 在结构方面，国内外通过研究不同结构压电变压器期望获得高降压比、高输出功率 和高效率，主要集中在多层结构，利用输入、输出层数比实现降压；另外输入、输出部 分采用串并联的方式也可以实现降压，但两种结构都较复杂，技术实现和生产难度较大。 1 3 3 驱动电路研究 降压型压电变压器的驱动电路的结构单一，使用半桥逆变电路作为p t 的驱动器， 副边采用半桥或全桥整流电路【蛤刎，典型结构图如图1 1 2 所示。半桥逆变电路降低了输 入信号的幅值，有利于电源降压的实现，大部分文献采用半桥逆变电路。 图1 1 2 降压型压电变压器驱动电路原理图 f i g 1 1 2 c i r c u i td i a g r a mo fs t e p - d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 毡。船 降压压电变压器的电压增益与负载及环境有关，要想达到稳定的输出电压，需要反 馈控制，主要采用p w m 和p f m 控制。 ( 1 ) p f m 控制方式 在文献【1 8 】的d c d c 变换中，采用压控振荡器作为控制器，反馈电压与基准电压相 比较，其结果可控制压控振荡器，改变压电变压器的输入信号频率，如图1 1 3 所示。 v ( 2 ) p w m 控制方式 图1 1 3p f m 型控制电路 f i g 1 1 3 p f mc o n t r o lc i r c u i t 、曲 人连理l ：大学硕+ 学何论文 文献【2 0 】的a c - d c 转换，使用r c 振荡器作为频率发生装置，控制器通过改变压电 变压器输入信号的占空比改变输出信号大小，如图2 2 3 所示。p 1 r 对输入信号的频率非 常敏感，而r c 振荡器的频率稳定性较差，使用r c 振荡器作为频率的发生装置时，无 法保证p t 的工作频率的稳定性。 c 豫m ! j螂 t 。；一 f i 黑i o | d r ：嚣跏 。 慨k ：熙争厂卜 l 日一秆声电蠢燕 z三n _ 卜母 o _ - 士 l 丰。三兰譬一 ： ：兰蠢= = o f f ：i ? 七一j i 王当f 孚 鼍毒 il 图1 1 4p w m 型控制电路 f i g 1 1 4 p w mc o n t r o lc i r c u i t 1 4 本文主要工作 针对目前多层压电变压器制造工艺复杂和单层p t 降压效果不理想的问题，本文提 出一种单层压电变压器结构，希望能够实现较大降压比、较高效率和输出功率。具体开 展以下工作： ( 1 ) 基于压电变压器的等效电路模型对压电变压器的电气特性进行了出比较完善的 分析，进而得出压电变压器实现降压、高效率、高输出功率的影响因素。并将目前流行 的r o s e n 型升压压电变压器反接测试，通过分析其降压特性，总结r o s e n 型p 1 r 作降压 使用的缺陷及降压压电变压器的理想工作状态，为降压压电变压器设计积累经验。 ( 2 ) 结合理论分析及r o s e n 型压电变压器反接测试，总结降压压电变压器设计的一 般规律，设计三种类型新型径向振动降压压电变压器，并利用c o m s o lm u t i p h y s i c s 有 限元软件对压电变压器进行输入阻抗、形变和位移分析。 ( 3 ) 对设计的三种类型降压压电变压器进行特性测试。 ( 4 ) 将制作的压电变压器用于串并联接和串串联接，推导两种联接与单片压电变 压器电气特性的区别，并测试其特性，为进一步实现降低提供一种可能方案。 ( 5 ) 将设计的浮地型单向极化径向振动降压压电变压器用于a c d c 转换电路。 降压压电变压器原理分析与设计 2 压电变压器理论基础及特性分析 2 1 压电方程及波动方程 2 1 1 压电效应 当对某些电介质施加一定方向的机械力时，就会引起它内部的j 下负电荷中心发生相 对位移而产生电极化，从而导致介质的两个表面出现符号相反的电荷，其电荷密度与应 力成正比，这种现象称为正压电效应；反之，将上述电介质置于电场中，由于电场的作 用，也会引起介质内部的j 下负电荷中心发生相对位移而导致介质发生变形，这种现象称 为逆压电效应，如图2 1 所示。压电变压器输入部分通过逆压电效应，将电能转换成机 械能，输出部分通过正压电效应，将机械能转换成电能，实现电能的二次转换。 十+ 十+ 十+ q 正压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f 逆压电效应示意图 ( 实线形变前，虚线为形变后) 图2 1 压电效应示意图 f i g 2 1 l l l u s t r a t i o no f p i e z o e l e c t r i ce f f e c t 2 1 2 压电方程和波动方程 压电变压器是压电执行器和压电换能器的耦合，通过电能一机械能一电能实现电压 的变换，涉及到的物理方程包括压电方程和波动方程。 压电晶轴的习惯取向是：极化方向定义为z 轴或3 方向的正方向，垂直于z 轴的两 个方向分别定义为x 轴或1 方向、y 轴或2 方向，如图2 2 所示。 压电方程是全面描述机电耦合与变换中晶体电学量( e ，d ) 和力学量( t ，s ) 之 间的线性关系得数学表达式。它集中地表达了在四种边界条件下( 机械自由、机械夹持、 电学开路、电学短路) ，正、逆压电效应各物理量的定量关系。不同的力学边界条件和 大连理：i ：人学硕十学位论文 电学边界条件司以选取个i 列荚型的j 土电万程。例如机械自由、电学短路条件f ，选用d 型压电方程较方便1 2 1 1 。 f d ：d t4 - ，t e s = s e t + d(2j)，e 单轴波动方程如下所示： p 李。一o t ( 2 2 ) p 。一0 x ( 2 2 ) 图2 2 压电品轴的习惯取向示意图 f 逸2 2 i l l u s t r a t i o no fu s u a lp i e z o e l e c t r i cr e f e r e n c ef r a m e 以薄圆片径向振动为例，其压电方程和波动方程采用柱坐标较方便【2 1 1 ，具体分析 如下： 波动方程： p 争= 等+ 竽 仁3 ， 式中嚣为径向位移分量，正和死分别代表沿切向、轴向的正应力 压电方程： 在柱坐标系中的压电方程和笛卡儿坐标系中有相同的形式，在应用时只要确定基本 坐标系和柱坐标系的对应关系即可。 z 矿，y p ，z 屹， 此种情况的d 型压电方程为 结合式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得 s = 五e 1 i + 墨e 2 乙+ d 3 1 t s o - s l 是z + s 三r o + d 3 1 e( 2 4 ) d ：= d 3 1 i + d 3 1 乙+ 3 3 t t 降乐压电变压器原理分析与设计 姿弓堡季专盗ot20uo r ( 2 5 ) ， ， ， 、 式中y 2 一；l i 为径向振动在圆片中的传播速度的平方。为方便起见，以下毒 p 1 1 一 简写成亭。式( 2 5 ) 成为 粤o u 专堕o r 一2 洲 ( 2 6 ) 厂厂 。 、7 式( 2 6 ) 的通解为亭= a j ，( h ) + b x ( 打) ( 2 7 ) 考虑到圆片圆心处y l ( h ) 一o o 及式( 2 4 ) 可以得到机械振动方程 ，嘞斗糕+ 害m 矿 ( 2 8 ) 其中，s = 2 p a 为圆片侧面积，a 为半径，n = 2 p a t d 3 l y 0 e ( 1 咚) 为机电转换系数。 结合式( 2 4 ) 可以得到电路状态方程 i ；j w c o v - - 1 1 乞( 2 9 ) 其中，c o = 万口2 8 3 3 t 为二维截止电容。 由机械振动方程( 2 8 ) 和电路状态方程( 2 9 ) 可以得到如图2 3 所示的压电圆片振子 的机电等效图。 l 1 m 一，筇榴_ 朋( 鲁) v 田 f 图2 3 薄圆片压电振子机电等效图 f i g 2 ，3 e l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s f e re q u i v a l e n tc i r c u i to fd i s kp i e z o e l e c t r i cv i b r a t o r 2 2 等效电路及电气特性 压电变压器是由输入端的压电驱动器和输出端的压电换能器组成，压电驱动器和压 电换能器都是压电振子，根据振型的不同，选择合适的波动方程和压电方程推导压电振 子机电等效模型，此模型由电学端口和机械端口组成，如图2 3 所示。将两个压电振子 机械端1 2 1 连接得到压电变压器的等效电路模型。目前，对压电变压器分析可以通过集总 大连理j f = 人学硕+ 学位论文 参数或分布参数等效模型【2 ，一般而言，用集总参数等效模型分析压电变压器电学特性 更简单、直观一些。本文的分析基于压电变压器的集总参数等效模型，如图2 4 所示。 尺l 图2 4 压电变压器的集总参数等效电路 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 其中，c i n ：输入静态电容； 。：输出静态电容； 七1 ：输入端机电转换系数； k 2 ：输出端机电转换系数； m ：机械等效质量，类比于电感； c m ：机械等效力顺，类比于电容； r m ：机械等效力阻，类比于电阻： l o ：对于纵场模式下，由于激励场同振动方向平行，导致弹性劲度常数因受压电 的反作用而增大；对于非纵场模式，三o = 0 ； r l ：负载电阻 将l m 、g 、尺m 等效到原边得到简化等效电路，如图2 5 所示。其中， r ：垦 k l 一纠水 c - 砰c 膈 n - - k 1 锄 c 尺 1 ：i 、r 田 图2 5 压电变压器的简化集总参数等效电路 h g 2 5s i m p l i f i e de q u i v a l e n tc i r c u i to fp i e z o e l e c t r i c 垃a n s f o r m e r ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 t 3 ) 降压压电变乐器原理分析与设计 可以将图2 5 所示的电路变换到原边。得到简化的等效电路图，如图2 6 所示。 己c尺 c 删 rl 图2 6 反映到原边的等效电路 f i g 2 6e q u i v a l e n tc i r c u i tt r a n s f o r m e dt op r i m a r y 其中，r 州& f 瓣1 ( 2 1 4 ) c l ，i 1 坐舄丛 ( 2 1 5 ) n 2 2 2 c o p “叫 由图2 6 可以得出压电变压器工作于谐振频率附近处电压增益、输出功率、效率的 表达式，如式( 2 1 7 ) ( 2 2 1 ) 所示。 当压电变压器工作于一定负载情况下，其谐振频率由c 删、l 、c 共同决定，如式 21 6 所录 电压增益为 g - n 输出功率为 一n 1 兄 j ( 1 ) c 嘲1 去+ r 2 + k ，