Rosen型壓電陶瓷變壓器等效電路模型測試與性能分析

簡越 李東杰 曹玉琳 汪能

摘要 脈沖功率技術(shù)能產(chǎn)生強(qiáng)電流脈沖信號，該信號可廣泛用于航天、武器系統(tǒng)的點火設(shè)施當(dāng)中，而該脈沖信號的產(chǎn)生依賴于高壓變換器的存在。新型的壓電陶瓷變壓器不同于以往的繞線式電磁高壓變換器，具有抗電磁干擾能量、高轉(zhuǎn)換效率、小體積、輕重量等優(yōu)點。因此對壓電陶瓷變壓器進(jìn)行性能研究具有較高戰(zhàn)略意義。本文圍繞Rosen型壓電陶瓷變壓器，從機(jī)電等效網(wǎng)絡(luò)的角度切入，推導(dǎo)其等效電路模型，并進(jìn)行了性能試驗測試，結(jié)果顯示良好。

【關(guān)鍵詞】脈沖功率技術(shù) 壓電變壓器 機(jī)電等效網(wǎng)絡(luò) 等效電路模型

1 引言

脈沖功率技術(shù)是一個研究在相對較長的時間里把能量儲存起來，然后經(jīng)過快速壓縮、轉(zhuǎn)換，最后有效釋放給負(fù)載的新興科技領(lǐng)域。其產(chǎn)生的高功率大脈沖常用于航天、武器等點火系統(tǒng)。典型的脈沖功率系統(tǒng)的組成框圖如圖1。最基本的系統(tǒng)由兩個部分組成：一部分由低功率水平的能量儲存系統(tǒng);另一部分是高功率脈沖的產(chǎn)生和有效傳輸?shù)截?fù)載。通常使用高壓變換器對大容量電容器組充電以儲存能量。

傳統(tǒng)的高壓變換器通常采用的是單端反激變換器。單端反激變換器由于其良好的輸出特性，較少的繞組匝數(shù)便可獲得較高的電壓等優(yōu)勢，被廣泛用于電壓變換。但是由于工作在斷續(xù)模式下的反激變換器其初級電流的峰值較大，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生一個較大的電壓尖峰，造成很嚴(yán)重的射頻電磁干擾問題。除此之外單端反激變換器屬于繞線式電磁變壓器，其存在趨膚效應(yīng)損耗、銅損和鐵損，而且這些損耗隨著變壓器體積的減小而迅速增加，嚴(yán)重影響高壓變換器的小型化。因此，考慮選擇更為高效、安全、可靠的高壓變換器一一壓電高壓變換器用于脈沖功率系統(tǒng)中的能量變換。

壓電材料是一種具有高功率密度、較低功率消耗、極具穩(wěn)定性、快速響應(yīng)特性等多種物理特性的材料，可以被廣泛應(yīng)用于各類傳感器和換能器當(dāng)中。由壓電材料制作而成的壓電陶瓷變壓器不同于普通一般的繞線式電磁變壓器，避免了通過電磁耦合的方式傳遞能量，直接利用機(jī)電耦合，經(jīng)過電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的形式實現(xiàn)能量傳遞。具有良好的抗電磁干擾能量、高轉(zhuǎn)換效率、小體積、輕重量等優(yōu)點，在近年來被廣泛應(yīng)用在DC/DC轉(zhuǎn)換器、電子鎮(zhèn)流器、逆變電路、AC適配器、冷陰極熒光燈等各個領(lǐng)域。

因此，開展壓電高壓變換器技術(shù)研究，可以實現(xiàn)高壓變換器的小型化設(shè)計，提高其工作可靠性、電磁兼容性，是一項值得探討和研究的領(lǐng)域。

2 壓電變壓器等效模型推導(dǎo)

通常采用求解壓電方程的形式推導(dǎo)等效電路模型，本文通過機(jī)電等效網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行推導(dǎo)。如圖2所示。

對于一個機(jī)電六端網(wǎng)絡(luò)，選用速度U1，U2和電流I為自變量，力F1，F(xiàn)2和電壓V為因變量，則其傳輸方程為：

壓電變壓器由壓電驅(qū)動器和壓電換能器兩部分組成，每一部分都可以看做一個壓電振子。根據(jù)Rosen型壓電變壓器工作原理，我們可以把每一部分壓電振子看做是薄片型長度伸縮振動。Rosen型壓電變壓器薄長片壓電振子示意圖3、4如下。

取d 31≠O的壓電晶體的zx切割晶片，長度1沿x方向，寬度lw沿y方向，厚度L沿z方向，且有1口lw，考慮到電極面為等位面，于是得到Rosen型壓電變壓器壓電振子的壓電方程：

比較以上兩式可得，在諧振頻率附近分布參數(shù)形式的等效阻抗可以用集中參數(shù)形式的等效阻抗來代替。并考慮到機(jī)械損耗，則在分

故此，得到Rosen型壓電變壓器壓電振子的等效電路參數(shù)。

壓電變壓器是有壓電驅(qū)動器和壓電換能器兩個壓電振子組合而成，考慮到Rosen型壓電變壓器的縱向結(jié)構(gòu)，結(jié)合上文推導(dǎo)的單一薄片型壓電振子的等效參數(shù)則可得出其Rosen型壓電變壓器的等效電路的模型如圖7、圖8。

于是即有：

3 壓電變壓器等效參數(shù)實驗測試與性能分析

采用LCR電橋測試法測試壓電變壓器的相關(guān)等效參數(shù)。在低頻或者靜態(tài)直流下測得C01，，C02，使得PT的輸出端短路，調(diào)節(jié)LCR表的頻率使得輸入阻抗的相位角為零時，測量得到的輸入阻抗即為R的值。實驗所用儀器為AT2816B精密LCR數(shù)字電橋儀，樣品采用H22805Cl型號的壓電變壓器。材料參數(shù)如表1所示。

結(jié)合上訴材料參數(shù)，代入到相關(guān)公式當(dāng)中，得出Rosen型壓電變壓器等效電路中的各部分元件的理論值。與測量得到實驗數(shù)據(jù)對比如表2。

如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷變壓器的理論值和測量結(jié)果之間存在一定誤差，但是誤差范圍在{-15%，15%）之間。分析誤差可能的幾種因素大致有：

（1）尺寸誤差;

（2）壓電陶瓷材料的參數(shù)誤差;

（3）兩個壓電振子之間的粘合劑及引出電極所產(chǎn)生的格外機(jī)械損耗。

但是誤差在可接受范圍內(nèi)，故在分析rosen型壓電陶瓷變壓器時采用推導(dǎo)等效電路模型。

對rosen型壓電陶瓷變壓器的帶載特性進(jìn)行分析。選擇實驗壓電變壓器樣本4進(jìn)行帶載實驗，在20V輸入電壓的條件下，選擇諧振頻率為120KHz，分別測試不同負(fù)載下的輸出功率曲線如圖11。

從圖形中可以看出，隨著負(fù)載的增加，諧振頻率下輸出功率會隨之而變化，呈現(xiàn)一個先增長后減小的趨勢，因此存在一個最大值，即為輸出負(fù)載與阻抗匹配時輸出功率最大，當(dāng)負(fù)載過大時（>3M）時輸出功率已經(jīng)非常小了。

4 結(jié)語

本文針對rosen型壓電陶瓷變壓器通過機(jī)電六端口等效網(wǎng)絡(luò)的方式推導(dǎo)了壓電振子和壓電變壓器的等效電路模型，并進(jìn)行了實驗驗證。實驗證明該等效電路設(shè)計實驗結(jié)果與理論推導(dǎo)大致吻合，故可以用此等效電路模型進(jìn)行壓電變壓器的電路設(shè)計和仿真。同時對壓電陶瓷變壓器的負(fù)載性能進(jìn)行了實驗，驗證其存在一個最佳負(fù)載，超過其最佳值后輸出功率隨負(fù)載值增大而減小。

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