压电陶瓷变压器

较之传统绕线式变压器， 压电陶瓷变压器具有以下优点：

1、 结构简单、 体积小、 功率大、 重量轻， 适应电子元器件薄型化的发展趋势；

2、 无需磁芯和铜线， 可节省金属材料；

3、 不会因短路而被烧毁， 不会被高压击穿， 不怕受潮， 不怕电磁干扰， 无噪声。能适应在潮湿、 盐雾、 冲击、 振动等各种恶劣环境下正常工作；

4、 转换率高、 升压比高、 安全性能超群；

5、 应用范围广。

尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点，但也存在一些不足，例如：

a．压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W（如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上，谐振频率为140KHz，在20W时的转换效率为97%）乃至30~40W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。

b．只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时，才有最大的输出电压，如果偏离谐振频率，电压下降的幅度较大。因此，压电陶瓷变压器与传统绕线式变压器不同，其工作频率范围比较窄。

c．压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂，这会使系统成本增加，可靠性变差。

d．对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波模谐振和全波模谐振两种安装状态，如图7所示。在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零处，即半波模谐振的支撑点在陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处，否则会影响升压比和转换效率。

（1）输出功率――负载阻抗特性： 当输入电压为275V时， 负载电阻Rl=9MΩ， 则输出功率最大值为65W,。由于压电变压器输入阻抗、 升压比均随负载阻抗变化而变化， 当输入电压不同时， 输出功率与负载阻抗变化的关系不完全相同。

（2） 转换效率――负载特性： 由于输出功率是在负载电阻上测得， 总的功率损耗包括了压电变压器和整流电路的损耗， 因此陶瓷变压器实际转换效率应大于曲线表示的转换效率。

（3） 波节温度――负载特性： 由于压电陶瓷变压器的波节处应力大， 因此温度也最高。经多次测试得知， 压电陶瓷变压器输出功率为40W时， 最高温度为34℃； 输出功率为50W时， 最高温度点的温度为47℃， 变压器其它部分温度更低。

（4） 谐振频率――环境温度特性： 一般情况下，压电材料的谐振频率因本身发热和环境温度变化而发生漂移， 因此， 压电变压器谐振频率的温度特性是确定压电变压器性能好坏的重要因素。特别当压电陶瓷变压器应用在较大输出功率时， 谐振频率温度特性的研究就更为重要。

压电陶瓷变压器采用压电材料， 利用机电转换特性， 配合元件的振动部分、 发电部分电机， 进行极化设计， 由输入电压使压电片处于共振状态， 再由正压电效应， 将高应变转化成电压输出， 从而达到变压的效果。

图1为其长条片型一体化结构简图， 采用特殊压电陶瓷材料 （如改性锆钛酸铅或铌镁锆钛酸铅） ，经高压力成型、 高温烧结和高压电场极化等一系列工艺制成。

压电陶瓷变压器基于正逆压电效应， 在机电能量二次转换过程中， 通过体内阻抗变换升压。当压电变压器输入端 （驱动部分） 加入一定频率的交变电压， 由于逆压电效应， 使压电变压器产生沿长度方向的伸缩振动， 输入端的电能转换为机械能。在发电部分， 由于存在纵向振动， 通过正压电效应， 机械能转换为电能， 使输出端有高电压输出。

因压电陶瓷变压器的反射阻抗随负载阻抗的减小而增加， 这个特性在高压应用时极为重要。当负载短路或高压放电时， 陶瓷变压器的输入阻抗迅速增加， 保证变压器及外围电路不至烧毁。因此， 使用压电陶瓷变压器， 电源无需另设短路保护电路。

目前， 压电陶瓷变压器已在一系列领域， 包括从家用电器到高科技军工产品中得到广泛应用。如安全系统中的电警棍、 防盗网、 提款箱、 运钞车和保险柜； 电源供应系统中的CRT和EL映像管、 冷阴极管、 霓虹灯管、 激光或X光管、 高压静电喷涂、 高压植绒和雷达显示管； 点火系统中的高压脉冲点火等；以及影印机、 激光打印机、 传真机、 静电发生器、 医疗器材、 空气清新机、 臭氧消毒柜、 军事和航天设备等。