壓電陶瓷變壓器在開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用分析

從圖2(a)可知，壓電陶瓷變壓器是一個(gè)諧振體，圖2(b)表示當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與變壓器的諧振頻率一致時(shí)，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖l可知，此時(shí)延長(zhǎng)度方向振幅最大，壓電變化才最有效。因此需要施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)頻率與變壓器諧振頻率保持一致。
把壓電變壓器等效成一個(gè)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號(hào)在壓電陶瓷變壓器上，從式(3)可知，在壓電陶瓷變壓器上的響應(yīng)為方波信號(hào)的各次諧波的響應(yīng)疊加。若方波信號(hào)基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時(shí)，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對(duì)壓電變化的有效性沒(méi)有積極作用，即這部分電能并沒(méi)加強(qiáng)延長(zhǎng)度方向的振幅。因此從電能利用率最大化角度考慮，施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)需要正弦信號(hào)。
1．3 壓電陶瓷變壓器的特點(diǎn)
由1．1、1．2小節(jié)可知，壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和原理是全新的概念，與傳統(tǒng)電磁變壓器相比，其特點(diǎn)如下：
(1)能實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。
(2)安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒(méi)有磁芯和繞組，不存在磁飽和問(wèn)題，不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀。
(3)功率轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)95％，最高可達(dá)98％。
(4)能量傳輸是以高頻振動(dòng)的壓電方式實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，也不會(huì)受到外界的電磁干擾。
(5)不產(chǎn)生反峰電壓，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓。
(6)壓電陶瓷變壓器輸出功率較小，目前成熟產(chǎn)品功率在10 W以?xún)?nèi)，但已研究出20 W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。
(7)開(kāi)關(guān)電源采用壓電陶瓷變壓器，其電路必須與陶瓷變壓器的參數(shù)相配合才能有效工作，因此可調(diào)性差，電路設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。
(8)壓電陶瓷變壓器的工作性能要受其安裝工藝影響。

2 基于壓電陶瓷變壓器開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)
2．1 主電路設(shè)計(jì)
在選用傳統(tǒng)電磁變壓器的開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)中，通常是根據(jù)其傳輸?shù)墓β省㈦娫摧斎胩攸c(diǎn)、輸出特點(diǎn)，是否要求輸入輸出隔離等要求來(lái)選擇工作電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)選用的電路結(jié)構(gòu)，輸出功率等要求設(shè)計(jì)電磁變壓器，確定磁芯、繞組組數(shù)、線(xiàn)圈線(xiàn)徑和匝數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)。因此在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)，基本沒(méi)把電磁變壓器參數(shù)考慮進(jìn)去，只是在電源電路確定后才考慮變壓器設(shè)計(jì)。根據(jù)1．2節(jié)壓電陶瓷變壓器等效電路的分析，壓電變壓器電源的電路設(shè)計(jì)需要把壓電陶瓷變壓器作為影響電路是否正常工作的一個(gè)重要因素，即在電路結(jié)構(gòu)選擇，電路參數(shù)確定，控制方式等方面，都需要考慮壓電陶瓷變壓器的作用。
根據(jù)上述分析，壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)頻率和負(fù)載對(duì)壓電陶瓷變壓器的轉(zhuǎn)換效率影響很大，通常基于電壓陶瓷變壓器的開(kāi)關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

根據(jù)壓電變壓器的等效電路圖2可知，當(dāng)壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時(shí)，從輸入端看進(jìn)去，相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載。因此需要一個(gè)輸入匹配電路來(lái)減小流入壓電陶瓷變壓器的電流，或者說(shuō)來(lái)補(bǔ)償容性阻抗。輸入匹配電路的設(shè)計(jì)主要由壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗和開(kāi)關(guān)變換電路的輸出阻抗決定。
基于壓電陶瓷變壓器開(kāi)關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁開(kāi)關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)一樣，仍然有回掃逆變電路、推挽逆變電路、全橋逆變電路，半橋逆變電路幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)前面分析可知，壓電陶瓷變壓器需要施加正弦激勵(lì)信號(hào)。如圖4所示，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)生成。

推挽逆變電路需要大電感來(lái)完成充電和放電，對(duì)采用壓陶瓷變壓器使小型化電源的優(yōu)勢(shì)不再存在。