變壓器等效電路的分析
信息來(lái)源：本站 日期：2017-05-08
陶瓷變壓器是基于電-機(jī)-電的工作機(jī)理，不存在繞組和磁芯，可以做的很薄，使電源輕、小、薄成為可能。較為典型的應(yīng)用是升壓型壓電陶瓷變壓器在冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用。根據(jù)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。
(1)安全性好，可靠性高。而降壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用有計(jì)算機(jī)、手機(jī)、攝像機(jī)等便攜式電子設(shè)備的AC-DC適配器及各種DC-DC模塊電源、各種超小型模塊電源、手提充電器等。從目前發(fā)展現(xiàn)狀看，升壓型壓電陶瓷變壓器超前于降壓型壓電變壓器，實(shí)在用程度較為廣泛。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，壓電陶瓷變壓器的溫度會(huì)發(fā)生變化，且所帶的負(fù)載也隨時(shí)在變化，這兩個(gè)因素會(huì)引起壓電陶瓷變壓器的諧振頻率發(fā)生變化。
跟著電子技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式電子設(shè)備小型化、輕型化要求開(kāi)關(guān)電源需知足輕、小、薄等要求。與基于其電-磁-電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的電磁變壓器比擬，擁有很多上風(fēng)，如沒(méi)有繞組線圈，不會(huì)受到電磁干擾和產(chǎn)生電磁干擾，壓電陶瓷變壓器制造可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，本錢(qián)低，絕緣等級(jí)高，且輕易獲得高的電壓傳輸比，非常適合小功率高壓輸出場(chǎng)合。
“逆壓電效應(yīng)”相稱于一臺(tái)電念頭，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；“正壓電效應(yīng)”相稱于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
(2)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。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上風(fēng)不再存在。
目前有一種LLC諧振半橋逆變電路，，具有實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)功能，且進(jìn)入壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)。正壓電效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)。
全橋逆變電路使用開(kāi)關(guān)元件多，而對(duì)于壓電陶瓷變壓器半橋逆變電路，其主電路結(jié)構(gòu)有幾種方式需要借助壓電陶瓷變壓器才能完成零電壓開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源；每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，諧振能量會(huì)在諧振環(huán)中活動(dòng)，終極回送到輸入當(dāng)中去。在輸入端施加交變電壓時(shí)，假如交變電壓的頻率與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率相同或接近，則壓電陶瓷變壓器內(nèi)部形成駐波，產(chǎn)生大幅度的應(yīng)力和位移分布,在壓電陶瓷變壓器的輸出部門(mén)泛起最大的應(yīng)變，該應(yīng)變則經(jīng)過(guò)“正壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時(shí)需要的激勵(lì)信號(hào)特性和與之相匹配的電路，用相應(yīng)的電學(xué)元件等效其機(jī)械參數(shù)，其中Cdl為壓電陶瓷變壓器輸入真?zhèn)€靜電容，Cd2為壓電陶瓷變壓器輸出真?zhèn)€靜電容，R、L、C分別為壓電陶瓷變壓器的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容。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)。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。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看。壓電陶瓷變壓器的頻率特性，f0為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。
(3)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以內(nèi)，但已研究出20 W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。
縱向振動(dòng)模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動(dòng)部門(mén)；銀電極涂在右端，沿長(zhǎng)度方向極化的右半部門(mén)稱為發(fā)電部門(mén)。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。
壓電陶瓷變壓器有縱向振動(dòng)模式(Rosen型)、厚度振動(dòng)模式、徑向振動(dòng)模式和彎曲振動(dòng)模式等幾種類型。
(4)壓電陶瓷變壓器的工作機(jī)能要受其安裝工藝影響。
(5)功率轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)95％，最高可達(dá)98％。
電磁式變壓器是低級(jí)繞組和次級(jí)繞組通過(guò)電磁耦合來(lái)傳遞能量，而壓電陶瓷變壓器是借助壓電陶瓷材料的“逆壓電效應(yīng)”和。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。這些送回去的能量越多，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件承受的應(yīng)力就越大，在電路中損失的能量也越多；串聯(lián)電感，與變壓器的靜態(tài)電容一起，可以保證壓電變壓器工作在較好的狀態(tài)，但在設(shè)計(jì)上存在一定限制。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，即這部門(mén)電能并沒(méi)加強(qiáng)延長(zhǎng)度方向的振幅。
根據(jù)壓電變壓器的等效電路，當(dāng)壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時(shí)，從輸入端看進(jìn)去，相稱于一個(gè)容性負(fù)載。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒(méi)有磁芯和繞組，不存在磁飽和題目，不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀。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)。而在開(kāi)關(guān)電源中，傳統(tǒng)電磁式變壓器和電感的體積和重量是整個(gè)電源的主要部門(mén)。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)。假如電源電路輸出固定頻率的激勵(lì)信號(hào)，不能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么壓電陶瓷變壓器諧振頻率變化時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率因不能工作在諧振狀態(tài)下大大降低，甚至不工作。
(6)MOS開(kāi)關(guān)電源采用壓電陶瓷變壓器，其電路必需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。冷陰極熒光燈(CCFL)驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)通常是輸入電壓低，輸出電壓很高，達(dá)到1kV，但是輸出功率比較小，為了得到較高的輸出電壓，傳統(tǒng)的電磁變壓器需要匝數(shù)數(shù)目較大，且繞組線徑非常小，給制造帶來(lái)一定難度，且存在安全隱患，而用壓電陶瓷變壓器很輕易實(shí)現(xiàn)。電能-機(jī)械能-電能”的轉(zhuǎn)換，完成能量傳遞的目的。
在實(shí)際的應(yīng)用中，假如電壓調(diào)節(jié)范圍比較大，固然可通過(guò)PFM調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)，但這種方法不僅調(diào)節(jié)范圍窄，而且影響壓電冉瓷變壓器的最佳工作狀態(tài)。
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?、電源輸入特點(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)、線圈線徑和匝數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)。在這個(gè)能量傳遞過(guò)程中，首先是施加在壓電陶瓷變壓器的交流電能在“逆壓電效應(yīng)”的作用下轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷材料的振念頭械能，然后又在“正壓電效應(yīng)”作用下立刻將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出。
因此在要求調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用場(chǎng)合可通過(guò)PWM與PFM共同完成。
壓電陶瓷變壓器的特點(diǎn)
把壓電變壓器等效成一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號(hào)在壓電陶瓷變壓器上，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。目前頻率跟蹤方式如表1所示。
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，仍舊有回掃逆變電路、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)。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)天生。升壓型壓電陶瓷變壓器主要應(yīng)用還有液晶顯示器(LCD)背光照明、電子警棍、負(fù)離子發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復(fù)印機(jī)、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置中。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動(dòng)模式(Rosen型)為代表，是目前應(yīng)用最廣的壓電變壓器，而降壓輸出場(chǎng)合常用的是厚度振動(dòng)模式壓電陶瓷變壓器。因此要求主電路的輸出頻率能跟蹤壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。
(8)不產(chǎn)生反峰電壓，輸出尺度正弦波電壓。
(9)能實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、超薄型，最相宜片式化。盡管目前泛起了平面電磁變壓器，或能夠集成PCB板上的小型變壓器，在一定程度上能實(shí)現(xiàn)減小高度和尺寸的目的，但仍舊難以知足輕、小、薄的要求。
整個(gè)壓電陶瓷變壓器分為兩部門(mén)，左半部門(mén)為輸入端，其上下面有燒滲的陰極，沿厚度方向極化；右半部門(mén)為輸出端，沿長(zhǎng)度方向極化，右墻面有燒滲的陰極。
壓電陶瓷變壓器是一個(gè)諧振體，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。
