徑向模式振動(dòng)的壓電變壓器特性

王 戰(zhàn) 王 海 李 晗

（1 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

（2 安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)數(shù)控及伺服技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

1956年Rosen利用壓電陶瓷材料首次研制出來一種代替電磁變壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)化為更大或更小的輸出電壓的壓電變壓器，壓電變壓器是一種以壓電、鐵電材料為基礎(chǔ)的功率器件，主要起變壓作用。

目前，壓電變壓器已被廣泛應(yīng)用于液晶顯示屏、手提便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、民用照明設(shè)備、航空航天設(shè)備、潛艇電子設(shè)備等方面。1992年，NEC公司開發(fā)出了長15mm,厚2.2mm，可用于壓電變流器的疊層式壓電變壓器。1994年，NEC公司開發(fā)出了長75mm，厚7.6mm的三層Rosen型壓電變壓器，克服了Rosen型壓電變壓器穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。1996年，Philips公司開發(fā)了長28mm，厚2mm，輸出功率2.5W的疊層Rosen型壓電變壓器。日本京都技術(shù)研究所于1999年開發(fā)出用于驅(qū)動(dòng)第三代手機(jī)背景光的驅(qū)動(dòng)電源的壓電變壓器及其控制電路，其效率高達(dá) 90%，包含控制線路在內(nèi)僅重1.78g，我國在壓電變壓器領(lǐng)域這塊的發(fā)展迫在眉睫。

在壓電變壓器的發(fā)展過程中，不但其穩(wěn)定性，升壓比等電學(xué)性能不斷得到提高，其尺寸也在不斷減少。更小、更輕、更薄一直是壓電變壓器的發(fā)展趨勢。而且壓電變壓器還有一些缺點(diǎn)，使壓電變壓器工作效率降低，如在操作中會(huì)引起機(jī)械疲勞等。本文主要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單圓盤型的壓電變壓器來提高性能和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)而來提高工作效率。

通過本文對(duì)圓盤型壓電變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)提出對(duì)鐵電等離子體推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)力的精確調(diào)控，提高系統(tǒng)可靠性，發(fā)展一種高效率、高精度、低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊的納米衛(wèi)星用推進(jìn)方法。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如下圖1所示，壓電變壓器是有直徑為23.5mm,厚度為1mm的圓盤結(jié)構(gòu)組成，其中輸入和輸出端的電極同心的放置在壓電陶瓷的上表面，輸入電極是外部的電極環(huán)，內(nèi)徑為4mm,外徑為23.5mm，輸出電極是內(nèi)部小圓，直徑為3mm,底部電極擴(kuò)展到整個(gè)底表面上并接地。它是沿厚度方向上極化。壓電變壓器的工作原理可以簡單的認(rèn)為，輸入部分和輸出部分相結(jié)合，即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能之后又轉(zhuǎn)化為電能的過程。圖1（a），是給出壓電變壓器的等效模擬電路,為理論建模提供依據(jù)。

圖1 壓電變壓器結(jié)構(gòu)與電路圖

3 理論建模

通過壓電變壓器的等效電路圖如圖1（b）所示可以推導(dǎo)出

輸出電壓和輸入電壓的比值被定義為升壓比，用G表達(dá)：

或?yàn)椋?/p>

而輸出功率和輸入功率之比定義為效率，用η表示即：

或?yàn)椋?/p>

其中z=ωRLCd2，RL是負(fù)載電阻，當(dāng)z=1時(shí)，即在驅(qū)動(dòng)頻率下輸出阻抗等于負(fù)載電阻時(shí)，壓電變壓器效率達(dá)到最大。即當(dāng)電阻最佳時(shí)，效率達(dá)到最高。

得：

4 仿真和討論

對(duì)不同尺寸的（直徑為22.5mm、23.5mm、24.5mm）壓電變壓器進(jìn)行Comsol仿真，如下圖所示：

圖2 壓電變壓器節(jié)點(diǎn)位移圖

圖3 壓電變壓器應(yīng)力分布圖

從圖2圖3可以看出當(dāng)施加一個(gè)外在交流電壓為15V時(shí)，直徑分別為22.5mm、23.5mm、24.5mm的壓電變壓器節(jié)點(diǎn)位移變化為4.6589*10-9m、3.1523*10-9m、3.9794*10-9m，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為7000.5N/m2、7099.4N/m2、4544.2 N/m2?？梢钥闯鲋睆綖?3.5mm的壓電變壓器產(chǎn)生的應(yīng)力最大，但節(jié)點(diǎn)位移變化最小可以看出這個(gè)壓電變壓器最穩(wěn)定。之后通過給出的參數(shù)對(duì)直徑為23.5mm的壓電變壓器進(jìn)行MATLAB仿真如下表1所示，給出了壓電變壓器徑向振動(dòng)模態(tài)下的等效電路參數(shù)，這些值用來計(jì)算壓電變壓器的升壓比和驅(qū)動(dòng)頻率。

表1 徑向振動(dòng)模態(tài)下的等效電路參數(shù)

通過上述推導(dǎo)的升壓比和效率公式和表一給出的壓電變壓器整棟模態(tài)下的等效電路參數(shù)，通過Matlab軟件仿真出升壓比和負(fù)載電阻之間的關(guān)系如下圖所示。

圖4 升壓比和負(fù)載電阻之間的關(guān)系圖

圖5 工作效率與負(fù)載電阻之間的關(guān)系

從圖4中可以看出隨著負(fù)載電阻不斷增大升壓比是不斷增高的。而圖5中可以看出負(fù)載電阻越大時(shí)效率越低。當(dāng)負(fù)載電阻在1200時(shí)，效率最大達(dá)到90%左右。

5 總結(jié)

壓電變壓器是有直徑為23.5mm,厚度為1mm的圓盤結(jié)構(gòu)組成，使用等效電路進(jìn)行分析，高效的壓電變壓器已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)負(fù)荷和變壓器工作效率的關(guān)系，可以得出在負(fù)載為1200時(shí)，壓電變壓器的工作效率達(dá)到最大高達(dá)90%。來解決現(xiàn)有衛(wèi)星推進(jìn)器效率低和不穩(wěn)定的狀況。

[1] Yang J 2007 Piezoelectric transformer structural modeling—a review IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 541154-70.

[2] Du J L,Hu J H and Tseng K J 2004 High-power,multioutput piezoelectric transformers operating at the thickness shear vibration mode IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 51502-9.

[3] Baker E M,Huang W X,Chen D Y and Lee F C 2005 Radial mode piezoelectric transformer design for fluorescent lamp ballast applications IEEE Trans.Power Electron.201213-20.

[4] Pulpan P and Erhart J 2007 Transformation ratio of ring-dot planar piezoelectric transformer Sensors Actuators A 140215-24.

[5] Seo J M et al 2005 Optimal design of piezoelectric transformer for high efficiency and high power density Sensors Actuators A 121520-6.

[6] E.L.Horsley,M.P.Foster,and D.A.Stone,"State-of-the-art Piezoelectric Transformer Technology,"presented at Power Electronics and Applications,2007 European Conference on,2007.

[7] D.Vasic,F.Costa,and E.Sarraute,“Piezoelectric transformer for integrated MOSFET and IGBT gate driver,” IEEE Trans.Power Electron.,vol.21,no.1,pp.56-65,Jan.2006.

[8] E.Dallago,A.Danioni,and G.Ricotti, “Resonant driving control for low power supplies with piezoelectric transformer,”Electron.Lett.,vol.38,no.22,pp.1400-1401,Oct.2002.

[9] 候育冬，高峰，朱滿康，等.壓電變壓器用陶瓷材料的成分設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2003，（11）：16～20.

[10] 余厲陽.微型壓電變壓器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[11] 馬朝陽，張方輝，李志賢.一種基于壓電陶瓷變壓器技術(shù)的CCFL驅(qū)動(dòng)電路[J].現(xiàn)代顯示，2007，（11）：49-5.

[12] 黃以華，周康源，等.壓電變壓器的原理及其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題[J].聲學(xué)技術(shù)，2003，（1）：58-60.

[13] Lin S,Fu Z,Zhang X,Wang Y and Hu J 2013 Radially sandwiched cylindrical piezoelectric transducer Smart Mater.Struct.22015005.

[14] Prieto R,Sanz M,Cobos J A,Alou P,Garcia O and Uceda J 2001 Design considerations of multilayer piezoelectric transformers APEC 2001 vol 2,pp 1258-63.