壓電陶瓷變壓器的工作模式和結構研究進展

吳靜

摘要：本文概述了壓電陶瓷變壓器的各種振動模式。著重介紹了每種振動模式壓電變壓器的基本結構和新結構的研究進展，并對壓電陶瓷變壓器未來的發展方向作了展望。

關鍵詞：壓電陶瓷變壓器；振動模式；結構；研究進展

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0060-04

壓電陶瓷變壓器是利用壓電陶瓷材料的壓電效應來實現機電能量轉換的第三代固體電子變壓器。結構上基本是由相互耦合的兩個機械部分以及相互絕緣的輸入和輸出電路部分的兩個壓電陶瓷換能器組成。傳統的鐵芯線繞式電磁變壓器是通過電磁效應實現初級與次級之間的耦合，所以相比傳統的電磁變壓器，壓電陶瓷變壓器具有體積小、重量輕、使用時不怕擊穿、變壓器本身不怕燃燒、耐高溫，轉換效率高、抗電磁干擾等優點，而且結構簡單，能批量生產，可以與其他器件集成實現設備的小型化。已被應用在警用電擊器高壓電源、液晶顯示背景光源、靜電復印機高壓電源、負離子發生器、小功率激光管電源等場合以及AC-DC轉換器、DC-DC轉換器等領域。

按照不同的特征可以對壓電陶瓷變壓器進行分類，一般根據壓電陶瓷變壓器工作時的機械振動模式分為長度伸縮振動型壓電陶瓷變壓器、厚度伸縮振動型壓電陶瓷變壓器、徑向振動型壓電陶瓷變壓器、剪切振動型壓電陶瓷變壓器、彎曲振動型壓電陶瓷變壓器以及上述幾種振動模式組合而成的復合振動模式壓電陶瓷變壓器[1]。多年來，研究工作者基于這些工作模式設計研發出多種結構。本文綜述了這幾種振動模式壓電變壓器的基本結構及其新結構的研究進展。

一、長度伸縮振動型壓電陶瓷變壓器

長度伸縮振動型壓電陶瓷變壓器（又稱為Rosen型壓電陶瓷變壓器）的典型結構幾何示意圖如圖1所示。整個陶瓷片分成輸入和輸出部分，輸入部分上下面被覆金屬電極，按照厚度方向極化；輸出部分端面被覆金屬電極，按照長度方向極化。

Rosen型壓電陶瓷變壓器的輸入端是驅動部分，輸出端是發電部分。當輸入端加上交變電壓時，驅動部分的壓電陶瓷片由于逆壓電效應而產生沿長度方向伸縮振動，將輸入的電能轉化成機械能；當激勵電壓的頻率接近振子共振頻率時，位移振幅最大，驅動部分的振動將傳輸到發電部分，在發電部分由于正壓電效應把機械能轉化成電能而輸出電壓。因為發電部分陶瓷片長度遠遠大于驅動部分陶瓷片的厚度，根據阻抗和尺寸的關系可以得到輸出阻抗遠遠大于輸入阻抗，所以輸出電壓遠遠大于輸入電壓。輸出交變電壓的大小取決于壓電變壓器各部分的幾何尺寸、振動模式以及變壓器的材料特性[2]。臺灣專家基于上述Rosen型壓電陶瓷變壓器基本結構，設計了改進的幾種長度伸縮振動模式有得變壓器，并從理論上計算和模擬了各種結構的性能[3]。

壓電陶瓷變壓器工作在諧振狀態下，根據傳統的Rosen型壓電陶瓷變壓器在半波諧振態時的質點位移和應力分布可以知道該類型變壓器的輸出電極正好位于其振動的位移波幅處，顯然對變壓器的振動和頻率特性影響很大。研究工作者針對圖1所示Rosen型壓電陶瓷變壓器中輸出電極影響變壓器特性的問題，提出全波諧振模式，并且用夾子（內襯橡膠皮）夾持在波幅處，輸出端用磷銅絲繞成彈簧狀，這樣無疑增加了器件制作的難度，為此，日立公司等設計三階振動模式的Rosen型變壓器[2]。單層壓電陶瓷變壓器的功率很小，日本專家采用開發出大功率壓電陶瓷材料設計了一種大功率多層壓電陶瓷變壓器，實現了壓電陶瓷變壓器的小型化及高功率輸出[2]。韓國專家在基礎上開發出多層到單層的三階Rosen型壓電陶瓷變壓器[4]。為了得到高電壓增益和高效率，出現了楔形和環狀Rosen型壓電陶瓷變壓器[5，6]。

二、厚度伸縮振動模式壓電陶瓷變壓器

由Rosen型壓電陶瓷變壓器的結構可知該類型變壓器的輸入阻抗比較高，工作頻率比較低，不適合于作為功率轉換電源變壓器。為了克服這個缺點，設計出如圖2所示的新型疊層壓電陶瓷變壓器。該類型變壓器是以厚度擴張振動模式工作。因為壓電陶瓷的極化方向和工作時的振動方向是沿著其厚度方向，所以該壓電陶瓷變壓器的輸入和輸出部分都是縱向振動模式。目前該結構的壓電陶瓷變壓器成功應用于包括整流器及適配器等領域[2]。

在上述典型結構基礎上，利用壓電陶瓷的厚度伸縮振動模式，Zaitsu T等人設計出一種典型的長度方向疊層的變壓器，已經用于電腦筆記本的AC適配器中。但在制備工藝上有難度[7]。是為了抑制彎曲振動引起的寄生振蕩。Yamamoto M等人設計出一種方形厚度擴張振動的變壓器，該變壓器結構緊湊，但散熱面積不大[8]。由于PbTiO3（PT）材料壓電性能各向異性大，能很好地抑制寄生振蕩，厚度伸縮振動模式壓電陶瓷變壓器多采用改性PT材料。Sanchez A M等人卻采用Pb（Ti，Zr）O3（PZT）材料，設計成圓形且中間穿孔的結構，不僅很好地抑制了寄生振蕩，而且利用了PZT相對PT更為優異的壓電性能，突破了以前疊層厚度振動多采用性能不佳的PbTiO3材料的傳統[9]。

三、徑向伸縮振動模式壓電陶瓷變壓器

徑向振動模式壓電陶瓷變壓器的典型結構幾何示意圖如圖3所示。由兩片厚度方向交替極化的壓電陶瓷圓片組成，徑向模式壓電陶瓷變壓器的振動方向與厚度模式壓電變壓器不同，振動方向沿著圓片的半徑方向。同上述長度和厚度方向伸縮振動工作模式變壓器的電壓變換進行比較可知該類型變壓器電壓變換范圍介于它們之間。徑向振動壓電陶瓷變壓器的應用范圍包括整流器、適配器以及變流器等[2]。

近十幾年，研究者又設計出徑向多層壓電陶瓷變壓器[10]，其具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點。而且它的共振頻率更純不像其他類型的壓電變壓器受各方向機械振動尺寸的不均勻影響而有雜波，有望在低頻或工頻領域獲得廣泛應用。但是徑向振動型壓電變壓器的電壓變比不及Rosen型因此較難以應用到高壓領域。Park J H等人設計出疊層結構的徑向型盤式變壓器， 其輸入部分是一個單層壓電陶瓷片， 而輸出部分由疊在一起的多層壓電陶瓷片組成，主要用于降壓變壓器或者變流器[11]。K.Sakurai等人設計出板桿連接徑向振動模式壓電陶瓷變壓器[12]，該結構變壓器一次徑向振動模式具有相對高的機電耦合系數，很容易得到低的輸入阻抗。由于兩個盤是在平行方向上去驅動的，利于有效減少輸入阻抗。Li H L等人[13]設計出高階環形徑向擴展振動模式變壓器，相對于傳統壓電陶瓷變壓器，該環形變壓器采用單一極化過程和合適的電極模式，把其中的一個電極分成同心圓形區域。工作模式是三階擴展振動模式，該變壓器的最高效率為92.3%，功率密度為14.3W/cm3。Guo，M S等人[14]設計出多輸出圓盤徑向振動模式壓電陶瓷變壓器，該變壓器的結構比較簡單和穩定。輸入和輸出被絕緣部分隔離開。輸入和輸出都是沿厚度方向極化，可以在極化過程中減少內部裂紋。endprint

四、剪切振動模式壓電陶瓷變壓器

Jinlong Du等人[15]報道一種厚度剪切振動模式壓電陶瓷變壓器，該壓電變壓器是用具有高K15機械品質因數的PZT材料制成。沿寬度方向極化。輸入和輸出部分的電極在陶瓷的上下表面，之間有很窄的隔離帶。其振動模式和支撐方式分別見圖4。該變壓器當溫度低于20℃時，效率達到90%。

五、彎曲振動模式壓電陶瓷變壓器

彎曲振動模式壓電陶瓷變壓器典型結構是條形彎曲振動壓電變壓器，如圖5所示[16]，其結構是輸入部分為長條伸縮振動的兩個沿厚度交替極化的壓電振子，用導電膠粘合起來，使兩片的極化強度的方向和激勵電場的方向相反。這樣當一片產生伸長形變時，另一片則產生縮短形變，因為兩片式緊密粘合的，所以疊片就做縱向彎曲振動。輸出部分也是由兩片壓電片構成的，各自與輸入部分相連。這樣，當輸入部分在電壓的激勵下振動時，輸出部分也隨之產生振動，進而產生輸出電壓。條形彎曲振動壓電變壓器是一種低頻升壓變壓器，可用于電光源及信號源中。

黃以華等人還報道了圓盤彎曲振動模式壓電陶瓷變壓器這種變壓器直徑不到10mm，體積小、重量輕，可用于微型DC/DC或AC/DC轉換器中[17]。在此基礎上，Koc，B等人設計出雙層彎曲振動模式壓電陶瓷變壓器[18]，文獻[1]報道了一種螺旋式彎曲振動模式壓電陶瓷變壓器[1]，這些結構的變壓器各有優缺點，實用于不同的應用領域。

六、復合振動模式壓電陶瓷變壓器

目前的壓電陶瓷變壓器基本上是以PZT為基的材料，每一種振動工作模式都有各自的有點，也都存在一些實用化的缺陷，近幾年，研究工作者不斷開發出復合振動模式變壓器。Burthanettin KOC等人[19]設計出如圖所示圓形的壓電變壓器（圖6），其輸入端為新月形電極，輸出端的極化方向為放射狀，這種結構就充分利用平面和剪切耦合模式而不是橫向耦合模式。他們通過有限元軟件對變壓器的工作特性進行分析，進一步優化了電極的形狀和極化方向的布置。制成的實際器件的性能要優于同等材料制成的長度方向伸縮振動壓電陶瓷變壓器。

從壓電變壓器的振動模式和結構研究狀況來看，國內外的學者做了大量的工作，以期能夠解決壓電變壓器應用在各種場合的需求。目前對壓電變壓器的研究主要集中在材料、幾何結構以及匹配電路等方面。本文總結的各種振動模式壓電陶瓷變壓器，屬于體型壓電變壓器，面對電子器件日益高集成化和高效率化的發展趨勢，體型變壓器尚有很大發展空間。因為壓電薄膜不僅具有比片狀壓電材料更高的機電耦合系數和機械品質因素，而且壓電薄膜具有更大的振動面積、更低的極化損耗和更為靈活的阻抗調節功能。所以可以預見在未來的壓電變壓器的研究和開發中，壓電陶瓷變壓器將由塊狀體型向薄膜化，由分立向集成化的方向發展。

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