压电变压器直流高压电源设计摘要压电陶瓷变压器是一种新型的压电换能器件，具有尺寸小，结构简单，不可 燃，耐辐射，高可靠等优点。压电变压器在电视显像管、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、高压极化等设备中得到广泛的应用。本课题是研究压电变压器设计出10kV的直流高压电源。当在压电陶瓷变压 器输入端（驱动部份）加入交变电压时，通过逆压电效应，瓷片产生沿长度方向 的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应将机械能 转换为电能从而输出电压因瓷片的长度远大于厚度，故输出端阻抗远大于输入 端阻抗，输出端电压远大于输入端电压.一般输入几伏到几十伏的交变电压， 可以获得几千伏以上的高压输出.关键词：压电陶瓷变压器直流高压阻抗Design of Piezoelectric Transformer DChigh voltage power supplyABSTRACTPiezoelectric ceramic transformer is a new type of piezoelectric transducer device, the size is small, simple structure, non-combustible, resistance to radiation, high reliability. Piezoelectric Transformers in a television picture tube, radar showed tube, electrostatic copier, electrostatic dust, small power laser diodes, ion generator, high voltage polarization, and other equipment was widely used.The topic is the study piezoelectric transformer design of the 10 kV DC high voltage power supply. When the piezoelectric ceramic transformer input (some drivers) by adding alternating voltage, reverse piezoelectric effect. have artifacts along the length direction of the stretching vibration, the input energy into mechanical energy; and some power is through piezoelectric effect of converting mechanical energy to electrical energy so the output voltage for artifacts than the length of thickness, Therefore, the output impedance than input impedance, the output voltage than input voltage. General Fu few to a few tens of volts of alternating voltage, available thousands of volts above the high pressure output.Keywords：Piezoelectric Ceramic Transformer DC high voltageImpedance目录第一章综述11.1压电陶瓷变压器发展概况11.2压电陶瓷变压器研究进展21.3压电变压器的应用51.4本课题研究的意义7第二章压电陶瓷变压器的工作原理和基本特性92.1压电陶瓷变压器的结构和工作原理92.2压电陶瓷变压器的等效电路112.3压电陶瓷变压器的工作特性12第三章压电陶瓷变压器高压电源设计183.1设计思想183.2压电陶瓷变压器的选取和计算193.3电路的设计213.4驱动变压器的设计与计算223.5倍压整流电路的设计26第四章压电陶瓷变压器高压电源性能测试28第五章结论30致谢31参考文献32第一章综述1.1压电陶瓷变压器发展概况压电变压器是20世纪50年代后期开始研制的一种新型压电器件，最早由c. A. Rosen于1956年发明。但是，那时的压电陶瓷材料是以钛酸钡（BaTiO3）为主， 其压电性能低，制成的压电变压器升压比很低，仅有5060倍，输出电压仅为3 kV, 实用价值不大，故未能引起人们的重视。随着锆钛酸铅（PbZrTiO3）等高加和高压 电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著的进展。目前已能生产升压比为 300500，输出功率50 w以上的压电变压器。随着信息处理设备和通讯设备日益小 型化的发展，电源设备小型化的需求越来越高，加上功能陶瓷材料的迅猛发展，压电 变压器的应用范围越来越广。目前压电变压器已用于电视显像管、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。由于压电陶瓷变压器具有尺寸小，结构简单，不可燃，耐辐射，高可靠等优点， 是压电陶瓷边获得广泛应用的主要原因，由于压电陶瓷变压器是一种新型高压变压 器，它有许多优点，所以它主要用于产生高压的装置中采用压电陶瓷变压器升压器制 作电源，工作稳定可靠，目前，压电陶瓷变压器正在高压小电流的高压设备中推广使 用，陶瓷变压器以开始应用于雷达，激光，静电除尘和复印等装置中，代替铁芯变压 器。压电陶瓷变压器作为新原理电子变压器，已引起国内电子变压器行业的注意。上 世纪90年代以来，把多层片式电容器的制造技术移植到压电陶瓷变压器的制造上， 克服了早期用有机粘结剂粘结多层压电陶瓷变压器的性能偏低而且不稳定的缺点，从 而可能实现规模生产，逐渐在各种电子设备中推广应用。“全国电子变压器行业协会 论文集”2004年第（六）集和2005年第（七）集相继发表了几篇文章进行介绍，希 望在铜铁材料涨价的情况下，电子变压器行业能对这种不用铜铁材料的压电陶瓷变压 器进行开发和生产4。1.2压电陶瓷变压器研究进展目前人们主要从采用新型压电材料、提高驱动路效率和采用合理的物理模型等方 面设计制造小化、高功率、高效率的压电变压器。1.2.1新型压电变压器材料的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升压输出，因此要 求材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因数S和高的电学品质因数0，以获 得高的升压比，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，以承受工作时的强的振动。未经改性的PZT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 PZT材料进行掺杂，微量取代A位或B位离子，产生晶格畸变，改变载流子浓度， 可以改善PZT材料的性能。采用微细晶粒的材料，可使材料的机械强度比通常的材 料提高一倍以上。例如在PMN-PzT材料中掺入适量的CeO2烧结出组成为 Pb Ba (Zr Ti )(Mn Nb ) O + 0.25%CeO (掺杂量为摩尔分数)的压电材0.940.060.520.48 0.9231/32/3 0.07532料，可减小材料的晶胞参数，提高材料的机械品质因数和机电耦合系数kp。在 PNW . PMN . PZT材料中掺入适量的 PbO, FeO和CeO?烧结出组成为Pb Sr (Ni W ) (Mn Nb ) (Zr Ti ) O + 0.5%PbO +0.940.061/2 1/2 0.021/32/3 0.070.510.49 0.9130.3%Fe2O3 + 0.25%CeO2(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3。在PMN.PZT材料中加入微量的PNN固 溶体，得到成分为Pb(Ni Nb ) (Mn Nb ) (Zr Ti )O + 0.5%PbO (掺杂量为质量分数)1/32/3 0.011/32/3 0.080.5050.495 0.913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。1.2.2压电变压器的振动模式和几何结构的改进随着电子工业的不断发展，要求电子器件向小型化方向发展，国内外研究人员开 始研究多层变压器（MPT： Multilayer Piezoelectric Transformer，如图 1-1 所示），因为 多层变压器不仅可以减少占用的空间，节省材料，还能提高升压比和输出功率。清 华大学是国际上最早研究多层压电变压器的单位，通过添加少量低熔点助烧剂 Bq-BiR-CdO使P2rT陶瓷的烧结温度从1250C降到960 C，并采用Ag / Pd电 极共烧成多层压电变压器，交流无空载时的升压比比传统的单层压电变压器高30 40倍8。Philips公司在单层Rosen型压电变压器的基础上研发出多层Rosen型压电 变压器，其设计尺寸约为28 mm X5 mm X2 mm，层数最多可达44层，每层厚度最 小为40um。这种多层Rosen型压电变压器无论是输出功率还是升压比都比单层的 Rosen型压电变压器要大。外部电槌稔入外部电报内都电双陶瓷片图1-1多层压电变压器结构图普通Rosen型压电变压器，不管是单层还是多层压电变压器，都有一个严重的缺 点，输出端导线焊在输出端电极上，而这正是振动位移最大的位置，这样会导致导线 和电极之间的连接可靠性比较差，并且导线的重量和连接的方式也阻碍了变压器的振 动。为此，NEC公司研发出三次Rosen型多层压电变压器，如图1-2所示。这种新 型的压电变压器具有更高的可靠性、转换效率和更薄的尺寸，整个变压器瓷片上有三 个节点，引出导线都焊在这三个节点处，这就克服了普通Rosen型压电变压器的缺点。图1-2三次Rosen型压电变压器结构和震动模式1.2.3压电变压器驱动电路和输出匹配电路的优化驱动电路对于压电变压器性能的发挥起着关键的作用。压电变压器的工作频率在 谐振频率和反谐振频率之间。而压电变压器的输入电源一般为低压直流电因此驱动电 路必须产生一个频率与压电变压器振动频率相等的信号，使压电变压器正常工作10。 M. Sanz等人分析对比了几种驱动电路的复杂度和压电变压器的效率之间的平衡关 系，提出了应用在不同场合的压电变压器驱动电路。E. Dallago等人采用频率跟随技 术，优化了驱动电路（如图1-3所示），克服了因负载变化和温度变化引起的频率匹配 问题。图1-3压电变压器DC/DC转换器极其驱动电路高压压电变压器输出端为高阻抗，当外加负载等于输出阻抗的时候，压电变压器 就有最大转换效率。从输出端看过去，压电变压器的输出级可以看成一等效阻抗。为 了使等效阻抗与理想负载阻抗匹配，必须精心设计输出匹配电路。C. Y. Lin等人设 计了一种压电变压器及其匹配电路，研究了驱动电路（信号放大器）、压电变压器和匹 配电路之间的关。J. Diaz和 M. J. Prieto等人把压电变压器应用在AC / DC和DC / DC转换器 中。压电变压器的转换效率是开关频率和负载的函数11。T. Zaitsu和S. Hamamura 等人研究了在固定开关频率下通过脉冲宽度调制（PWMPulse Width Modulatio