壓電變壓器直流高壓電源設計

1、武漢工程大學畢業(yè)設計（論文）說明書壓電變壓器直流高壓電源設計摘要壓電陶瓷變壓器是一種新型的壓電換能器件，具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，不可燃，耐輻射，高可靠等優(yōu)點。壓電變壓器在電視顯像管、雷達顯示管、靜電復印機、靜電除塵、小功率激光管、離子發(fā)生器、高壓極化等設備中得到廣泛的應用。本課題是研究壓電變壓器設計出10kv的直流高壓電源。當在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅(qū)動部份）加入交變電壓時，通過逆壓電效應，瓷片產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動，將輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；而發(fā)電部分則通過正壓電效應將機械能轉(zhuǎn)換為電能從而輸出電壓 因瓷片的長度遠大于厚度，故輸出端阻抗遠大于輸入端阻抗 ，輸出端電壓遠大于輸入端電壓一般輸入幾伏到

2、幾十伏的交變電壓，可以獲得幾千伏以上的高壓輸出關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷變壓器 直流高壓 阻抗 design of piezoelectric transformer dc high voltage power supply abstractpiezoelectric ceramic transformer is a new type of piezoelectric transducer device, the size is small, simple structure, non-combustible, resistance to radiation, high reliability. pi

3、ezoelectric transformers in a television picture tube, radar showed tube, electrostatic copier, electrostatic dust, small power laser diodes, ion generator, high voltage polarization, and other equipment was widely used. the topic is the study piezoelectric transformer design of the 10 kv dc high vo

4、ltage power supply. when the piezoelectric ceramic transformer input (some drivers) by adding alternating voltage, reverse piezoelectric effect. have artifacts along the length direction of the stretching vibration, the input energy into mechanical energy; and some power is through piezoelectric eff

5、ect of converting mechanical energy to electrical energy so the output voltage for artifacts than the length of thickness, therefore, the output impedance than input impedance, the output voltage than input voltage. general fu few to a few tens of volts of alternating voltage, available thousands of

6、 volts above the high pressure output. keywords: piezoelectric ceramic transformer dc high voltage impedance 37目錄第一章 綜述11.1壓電陶瓷變壓器發(fā)展概況11.2壓電陶瓷變壓器研究進展21.3 壓電變壓器的應用51.4本課題研究的意義7第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性92.1 壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理92.2壓電陶瓷變壓器的等效電路112.3壓電陶瓷變壓器的工作特性12第三章 壓電陶瓷變壓器高壓電源設計183.1設計思想183.2壓電陶瓷變壓器的選取和計算193.3

7、電路的設計213.4驅(qū)動變壓器的設計與計算223.5倍壓整流電路的設計26第四章 壓電陶瓷變壓器高壓電源性能測試28第五章 結(jié)論30致謝31參考文獻32第一章 綜述1.1壓電陶瓷變壓器發(fā)展概況壓電變壓器是 20世紀 50年代后期開始研制的一種新型壓電器件，最早由carosen于 1956年發(fā)明。但是，那時的壓電陶瓷材料是以鈦酸鋇 (batio3)為主，其壓電性能低，制成的壓電變壓器升壓比很低，僅有 5060倍，輸出電壓僅為 3 kv，實用價值不大，故未能引起人們的重視。隨著鋯鈦酸鉛 (pbzrtio3) 等高和高壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，壓電變壓器的研制才取得了顯著的進展。目前已能生產(chǎn)升壓比為300

8、500，輸出功率 50 w 以上的壓電變壓器。隨著信息處理設備和通訊設備日益小型化的發(fā)展，電源設備小型化的需求越來越高，加上功能陶瓷材料的迅猛發(fā)展，壓電變壓器的應用范圍越來越廣。目前壓電變壓器已用于電視顯像管、雷達顯示管、靜電復印機、靜電除塵、小功率激光管、離子發(fā)生器、高壓極化等高壓設備中。由于壓電陶瓷變壓器具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，不可燃，耐輻射，高可靠等優(yōu)點，是壓電陶瓷邊獲得廣泛應用的主要原因，由于壓電陶瓷變壓器是一種新型高壓變壓器，它有許多優(yōu)點，所以它主要用于產(chǎn)生高壓的裝置中采用壓電陶瓷變壓器升壓器制作電源，工作穩(wěn)定可靠，目前，壓電陶瓷變壓器正在高壓小電流的高壓設備中推廣使用，陶瓷變壓器以開

9、始應用于雷達，激光，靜電除塵和復印等裝置中，代替鐵芯變壓器。壓電陶瓷變壓器作為新原理電子變壓器，已引起國內(nèi)電子變壓器行業(yè)的注意。上世紀90 年代以來，把多層片式電容器的制造技術(shù)移植到壓電陶瓷變壓器的制造上，克服了早期用有機粘結(jié)劑粘結(jié)多層壓電陶瓷變壓器的性能偏低而且不穩(wěn)定的缺點，從而可能實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，逐漸在各種電子設備中推廣應用。“全國電子變壓器行業(yè)協(xié)會論文集”2004 年第（六）集和2005 年第（七）集相繼發(fā)表了幾篇文章進行介紹，希望在銅鐵材料漲價的情況下，電子變壓器行業(yè)能對這種不用銅鐵材料的壓電陶瓷變壓器進行開發(fā)和生產(chǎn)4。1.2壓電陶瓷變壓器研究進展目前人們主要從采用新型壓電材料、提高驅(qū)動

10、路效率和采用合理的物理模型等方面設計制造小化、高功率、高效率的壓電變壓器。1.2.1新型壓電變壓器材料的研究 由于壓電變壓器是利用機電能量的二次變換在諧振頻率上獲得升壓輸出，因此要求材料具有高的機電耦合系數(shù)，高的機械品質(zhì)因數(shù)和高的電學品質(zhì)因數(shù)，以獲得高的升壓比，小的機械損耗和介質(zhì)損耗。此外還要求材料的頻率穩(wěn)定性好，機械強度高，以承受工作時的強的振動。 未經(jīng)改性的 pzt材料各項性能指標往往達不到壓電變壓器材料的要求。通過對 pzt材料進行摻雜，微量取代 a位或 b位離子，產(chǎn)生晶格畸變，改變載流子濃度，可以改善 pzt材料的性能。采用微細晶粒的材料，可使材料的機械強度比通常的材料提高一倍以上。例

11、如在 pmn-pzt材料中摻入適量的燒結(jié)出組成為(摻雜量為摩爾分數(shù))的壓電材料，可減小材料的晶胞參數(shù)，提高材料的機械品質(zhì)因數(shù)和機電耦合系數(shù)。在 pnwpmnpzt材料中摻入適量的 燒結(jié)出組成為(摻雜量為質(zhì)量分數(shù))的高介電常數(shù)、高機械品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率溫度穩(wěn)定性好的壓電變壓器材料3。在 pmnpzt材料 中加 入 微 量 的 pnn 固溶體 ，得到成分為(摻雜量為質(zhì)量分數(shù))的壓電材料，不但可以提高材料的相對介電常數(shù)和機電耦合系數(shù)，還可以降低材料的燒結(jié)溫度。1.2.2壓電變壓器的振動模式和幾何結(jié)構(gòu)的改進隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，要求電子器件向小型化方向發(fā)展，國內(nèi)外研究人員開始研究多層變壓器(mpt：

12、multilayer piezoelectric transformer，如圖1-1所示 )，因為多層變壓器不僅可以減少占用的空間，節(jié)省材料，還能提高升壓比和輸出功率 。清華大學是國際上最早研究多層壓電變壓器的單位，通過添加少量低熔點助燒劑使 p2rt陶瓷的燒結(jié)溫度從 1250降到960，并采用 agpd電極共燒成多層壓 電變壓器，交流無空載時的升壓比比傳統(tǒng)的單層壓電變壓器高 3040倍8。philips公司在單層 rosen型壓電變壓器的基礎上研發(fā)出多層 rosen型壓電變壓器，其設計尺寸約為 28 mm5 mm2 mm，層數(shù)最多可達 44層，每層厚度最小為 40m 。這種多層 rosen型

13、壓電變壓器無論是輸出功率還是升壓比都比單層的rosen型壓電變壓器要大。圖1-1 多層壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖普通 rosen型壓電變壓器，不管是單層還是多層壓電變壓器，都有一個嚴重的缺點，輸出端導線焊在輸出端電極上，而這正是振動位移最大的位置，這樣會導致導線和電極之間的連接可靠性比較差，并且導線的重量和連接的方式也阻礙了變壓器的振動。為此，nec公司研發(fā)出三次rosen型多層壓電變壓器，如圖1-2所示 。這種新型的壓電變壓器具有更高的可靠性、轉(zhuǎn)換效率和更薄的尺寸，整個變壓器瓷片上有三個節(jié)點，引出導線都焊在這三個節(jié)點處，這就克服了普通 rosen型壓電變壓器的缺點。圖1-2 三次 rosen型壓電變壓

14、器結(jié)構(gòu)和震動模式1.2.3壓電變壓器驅(qū)動電路和輸出匹配電路的優(yōu)化 驅(qū)動電路對于壓電變壓器性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵的作用。壓電變壓器的工作頻率在諧振頻率和反諧振頻率之間。而壓電變壓器的輸入電源一般為低壓直流電因此驅(qū)動電路必須產(chǎn)生一個頻率與壓電變壓器振動頻率相等的信號，使壓電變壓器正常工作10。msanz等人分析對比了幾種驅(qū)動電路的復雜度和壓電變壓器的效率之間的平衡關(guān)系，提出了應用在不同場合的壓電變壓器驅(qū)動電路。edallago等人采用頻率跟隨技術(shù)，優(yōu)化了驅(qū)動電路 (如圖1-3所示)，克服了因負載變化和溫度變化引起的頻率匹配問題。圖1-3 壓電變壓器dc/dc轉(zhuǎn)換器極其驅(qū)動電路高壓壓電變壓器輸出端為高阻

15、抗，當外加負載等于輸出阻抗的時候，壓電變壓器就有最大轉(zhuǎn)換效率。從輸出端看過去，壓電變壓器的輸出級可以看成一等效阻抗。為了使等效阻抗與理想負載阻抗匹配，必須精心設計輸出匹配電路。cylin等人設計了一種壓電變壓器及其匹配電路，研究了驅(qū)動電路(信號放大器)、壓電變壓器和匹配電路之間的關(guān)。 jdiaz和 mjprieto等人把壓電變壓器應用在acdc和 dcdc轉(zhuǎn)換器中。壓電變壓器的轉(zhuǎn)換效率是開關(guān)頻率和負載的函數(shù)11。tzaitsu和 shamamura等人研究了在固定開關(guān)頻率下通過脈沖寬度調(diào)制(pwmpulse width modulation)和在固定負載下通過脈沖頻率調(diào)制 (pfm：pulse

16、 frequency modulation)有效控制壓電變壓器功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。圖1-4所示。圖1-4 pwm和pfm控制壓電變壓器轉(zhuǎn)換器簡圖1.3 壓電變壓器的應用1.3.1 ccfl驅(qū)動器 壓電變壓器最典型的應用之一就是驅(qū)動 ccf(cold cathode fluorescent lamp，冷陰極管)因為 ccfl的工作特性非常適合于壓電變壓器的性，即輸出阻抗高、輸出電流小、輸出電壓隨阻抗化大等 。而 ccfl在啟動時需要 1000v左右的壓 ，平穩(wěn)工作狀態(tài)下需 400v500v左右的電壓，阻抗較啟動時下降數(shù)十千歐。此外，ccfl對電的要求不高，一般為 5ma6ma。ccfl的這些性

17、恰好與壓電變壓器的上述特性相符。在實際應壓電變壓器時 ，必須解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)選擇合適的材料；(2)振動模式的選擇；(3)器件的安裝；(4)驅(qū)動與控制電路的設計7。1.3.2 dc-dc(直流一直流)變換器當今的電子設備小型化、輕型化的需求 日益突出，因此為其提供直流電壓的直流變換器也必須做到小型化和輕型化1。另外從低能耗的角度來講，其能量轉(zhuǎn)換的效率也必須提高。但是這些要求對傳統(tǒng)的直流變換器來說是難以達到的，因為其必須符合嚴格的安全及噪聲規(guī)范，如 ul，iec和 cispr(無線電干擾特別委員會)等的標準。特別是因為電磁變壓器的存在，直流變換器的重量和體積更是難以降低。用壓電變壓

18、器取代電磁變壓器，上述問題便可迎刃而解。由壓電變壓器制做的 dc-dc變換器如圖 1-5所示。圖1-5 dc-dc變換器基本的工作過程為：開關(guān)和以非常短暫的切換時間(稱為 dead time)輪流導通。在此時間內(nèi)，電磁電流通過向和的并聯(lián)輸出電容充電，因此zvs(零電壓切換)術(shù)得以實現(xiàn)。通過和的零電壓切換，壓電變壓器的輸入端會產(chǎn)生準方波波形，由于壓電變壓器良好的諧振特性，其輸出端產(chǎn)生正弦波，經(jīng)整流后成為直流電壓供給負載。圖中的壓電變壓器僅重 65g，遠遠輕于傳統(tǒng)的電磁式變壓器，而且能量密度效率可以大大提高。1.3.3 其它應用研究及實用產(chǎn)品 上述兩種應用是壓電變壓器最典型的應用。除此之外，壓電變

19、壓器還被應用于軍事方面，即利用其輸出電極端子放電引爆高壓雷管。民用方面的應用有高壓防盜器、高壓電擊棒、小型 x光機、雷達、復印機、氦一氖和小型二氧化碳激光器等等。目前實用產(chǎn)品也比較多。如 nec公司及田村制作所先后向市場推出的用壓電變壓器制成的 lcd(液晶顯示器)背光電源，京都技術(shù)研究所開發(fā) 的效率高達90，包含驅(qū)動電路在內(nèi)僅重 178g的第 3代手機背景驅(qū)動電源，tamura公司的hbl系列產(chǎn)品等?，F(xiàn)在壓電陶瓷變壓器的應用分為兩種，一種是由低壓變成高壓的升壓變壓器，用于液晶顯示器、靜電除塵器和高壓電源中，國內(nèi)外都已形成規(guī)模生產(chǎn)。另一種是由高壓變成低壓的降壓變壓器，現(xiàn)在仍處于研究開發(fā)階段，只

20、有個別的產(chǎn)品投入生產(chǎn)，現(xiàn)在見到已報道的最好的樣機，是日本富士通利用linbo3單晶制成15 mm15 mm0.5mm 的壓電陶瓷變壓器，工作頻率4 mhz，輸出功率3040w，可以用于降壓型開關(guān)電源。由于壓電變壓器具有體積小、重量輕、不會擊穿、不怕短路、升壓比高、輸出阻抗高等特點，因此它主要應用于需要高電壓小電流的領(lǐng)域。 將它應用于雷達顯示器高壓用源不僅縮小了這種電源的體積，而且大大提高了裝備的可靠性。 靜電噴塑設備需要60kv的高壓，而傳統(tǒng)的供電電源是體積較大的柜式電源。采用壓電陶瓷變壓器后，該電源可以安裝在高壓噴槍的手柄上，使用非常方便，同時也降低了設備的成本。 作為交流輸出的應用，液晶顯

21、示用壓電陶瓷變壓器背光電源最具有代表性。 液晶顯示背景光源采用冷陰極管（lcd），它的擊穿電壓約1500v，工作電壓約400v。壓電陶瓷變壓器輸出阻抗高，具有較好的恒流特性，這剛好符合點亮冷陰極管電源的技術(shù)要求，而且壓電陶瓷變壓器厚度只有1.5mm也正好適應液晶顯示器薄形化的結(jié)構(gòu)要求。目前這種電源在國內(nèi)外形成規(guī)模生產(chǎn)，主要應用于筆記本電腦和其它液晶顯示設備20。 壓電陶瓷變壓器應用實例還有很多，不再一一列舉。今后，隋著高性能材料的開發(fā)，元件形狀和結(jié)構(gòu)的改進以及配套電路的完善，其應用會更加完善。1.4本課題研究的意義壓電陶瓷變壓器與電磁變壓器相比，具有體積小，厚度一般小于5 mm，重量輕，結(jié)構(gòu)簡

22、單，不怕受潮，不怕燃燒和擊穿，電磁兼容性好（包括無電磁干擾和不受電磁干擾）。安全可靠，轉(zhuǎn)換效率超過90%等優(yōu)點。但是，功率小，現(xiàn)在最大為40w，配套電路比較復雜，工藝流程還不完整，還沒有很好解決壓制、燒結(jié)、磁性激化等工藝問題，規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)良率不高，導致成本偏高，價格比現(xiàn)有同容量的電磁變壓器貴。因此要推廣應用還需要解決一系列問題。在現(xiàn)代電子設備中（例如靜電復印機、雷達、信息處理設備的顯示系統(tǒng)等）往往需要幾千伏甚至上萬伏的高壓供電，通常這些高壓是通過電磁變壓器升壓而獲得的，但是由于體積及結(jié)構(gòu)的原因，這種變壓器存在繞制及絕緣處理困難，變壓器的次級繞組工作在高壓狀態(tài)易打火、擊穿，故障率高等問題。壓電陶瓷

23、變壓器是一種從材料結(jié)構(gòu)到工作原理都不同于傳統(tǒng)概念的變壓器，它是用鐵電材料（例如pzt、pmmn等）經(jīng)高溫燒結(jié)、高壓繳化等一系列工藝制備而成的，低損耗、小尺寸、高可靠、抗干擾和低價位電子電源的市場需求量不斷提高。壓電陶瓷電源產(chǎn)品在輸入和輸出之間具有較高的絕緣和耐壓，在輸入輸出端之間加壓5000vdc分鐘下漏電流僅為微安級。同時，在惡劣的條件如潮熱、鹽霧、沖擊和振動等環(huán)境下均能正常工作。壓電陶瓷電源技術(shù)壓電陶瓷轉(zhuǎn)換效率可以達到98，比普通電源5060的轉(zhuǎn)換效率要高得多。從原理上可以看出，其造價并不比傳統(tǒng)電源產(chǎn)品更貴，而體積卻要小得多15。此外，規(guī)?；a(chǎn)還將進一步降低成本，從而在競爭中更具優(yōu)勢，用

24、壓電陶瓷變壓器制做高壓電源不僅克服了傳統(tǒng)電磁變壓器工作在高壓狀態(tài)下所存在的問題，而且能很好地適應電子設備小型化、輕型化、薄型化的發(fā)展需要，有廣泛的的應用前景。第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性2.1 壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)因其形狀、電極和極化方向不同而有多種形式，其中長條片狀結(jié)構(gòu)的陶瓷變壓器最為常用，因其結(jié)構(gòu)衙單，制作容易 ，并且具有較高升壓比和較大的輸出功率 這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖 2-1所示整個長條片型壓電陶瓷變壓器中分成兩部分：左半部的上、下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極化，作為輸入端，稱為驅(qū)動部分；右半部分的右端也有燒滲的銀電扳，澄長度方向

25、極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部分 圖2-1 長條片型陶瓷變壓器制備好的壓電陶瓷晶體在居里溫度下屬四方晶相多電疇結(jié)構(gòu)，經(jīng)高壓電場極化后因電疇轉(zhuǎn)向，陶瓷體內(nèi)極化強度不為零而具有壓電性。當在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅(qū)動部份）加入交變電壓時，由于逆壓電效應，壓電陶瓷變壓器產(chǎn)生長度方向上的伸縮振動，輸入的電能轉(zhuǎn)換成機械能。在發(fā)電部份由于存在縱向振動，通過正壓電效應，機械能轉(zhuǎn)換成電能，因此在輸出端有電壓輸出。壓電陶瓷變壓器的能量轉(zhuǎn)換過程與電磁變壓器截然不同，是從電能到機械能又到電能的物理過程14。當壓電陶瓷變壓器輸人端加上頻率為瓷片固有諧振頻率的交變電壓時、通過逆壓電效應，瓷片產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動，將輸入

26、電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；而發(fā)電部分則通過正壓電效應將機械能轉(zhuǎn)換為電能從而輸出電壓 因瓷片的長度遠大于厚度，故輸出端阻抗遠大于輸入端阻抗 ，輸出端電壓遠大于輸入端電壓一般輸入幾伏到幾十伏的交變電壓，可以獲得幾千伏以上的高壓輸出在無負載的情況下，壓電陶瓷變壓器在諧振的時候的升壓比由下式?jīng)Q定：式中的為空載升壓比. 為材料的機械品質(zhì)素質(zhì)，為材料的機電耦合系數(shù)，分別為發(fā)電部分的長度和厚度。據(jù)此可以看出：當材料和工藝確定后。升壓陶瓷變壓器的升壓比只與l，t有關(guān)。長度越長。升壓比越高，厚度越厚，升壓比越低。上述公式的計算值和時測的數(shù)據(jù)誤差教大，必須考慮彌散電容，加以修正。一般線繞式變壓器對于外加電源頻率的要求不高

27、，在相當寬的頻率范圍內(nèi)，變壓器的變比，輸出功率，功率幾乎不變。對于陶瓷變壓器，則要求電源頻率高度穩(wěn)定，往往電源頻率偏離穩(wěn)定值的千分之五，則變壓器的升壓比就有可能下降百分之十以上。陶瓷變壓器要求電源的頻率必須與其本身產(chǎn)生的機械頻率相一致。通常壓電陶瓷變壓器只能在兩種頻率下工作。即半波諧振頻率fr1 或全波諧振頻率fr2。所謂半波，是指片長等于一個駐波波長。陶瓷變壓器的諧振頻率決定與陶瓷片的幾何尺寸和材料的聲速，即fr=v/ 。式中v為材料的聲速，是沿長度方向的駐波波長。圖2-2所示表示壓電變壓器工作在諧振狀態(tài)下，其半波諧振狀態(tài)和全波諧振狀態(tài)的質(zhì)點位移和應力分析情況。圖2-2 壓電陶瓷變壓器的應力

28、分布2.2壓電陶瓷變壓器的等效電路 壓電陶瓷變壓器由驅(qū)動部分和發(fā)電部分組成，其驅(qū)動部分，即壓電陶瓷變壓器的輸入回路與驅(qū)動電路相連接，為了使二者阻抗相匹配，有效地傳輸基本電氣特性研究。壓電陶瓷變壓器是諧振體，只有在驅(qū)動電壓頻率等于壓電陶瓷耦合器固有諧振頻率、諧振體處于諧振狀態(tài)、沿長度方向振幅最大的情況下，才能進行有效的電壓變換。壓電陶瓷變壓器等效電路比較復雜8，考慮到輸出端對輸入端的影響，用電聲學理論最終可導出從輸入端看進去的等效電路如圖2-2所示。根據(jù)壓電陶瓷變壓器 的輸入 回路 的等效電路可以從壓電方程和波動方程導出、解長片型壓電振子的壓電方程：和波動方程：可得 其中為輸入極板之間的夾片電容

29、，分別為壓電陶瓷變壓器等效電容 和電感，其等效電路如圖2-2所示、理論分析和試驗結(jié)果表明，壓電陶瓷變壓器 輸入回路呈串聯(lián)諧振時，升壓比 g最高，如圖2-3所示、其諧振頻率為：圖2-3 壓電陶瓷變壓器輸入回路的等效電路式中為陶瓷片諧振頻率為頻率常數(shù)，為資瓷片的長度從(5)式可以 看出，當陶瓷片材料確定以后，由值確定。2.3壓電陶瓷變壓器的工作特性2.3.1升壓比特性 對 pt進行測試的線路如圖2-4所示。信號源所提供的交流電壓的頻率與 pt的諧振頻率相同 。pt的輸出為二倍壓 整流直流輸出。測試結(jié)果如圖2-5所示。圖2-2a、b中實線為理論值 ，三角、方波及圓點為實驗值。當負載一定時，輸出電壓與

30、輸人電壓成線性關(guān)系 ，而圖2-5a中的實測值很好地反映了這一關(guān)系。由圖2-5b不難看出，當負載阻抗足夠大時升壓比達到了10倍以上，并且隨著負載阻抗的增大，升壓比還可進一步提高。我們在實驗中測得 的升壓 比達到100倍 以上 ，即在 10m負載下 ，輸入20v電壓 ，輸出端得到23kv 多的電壓。在測試中我們還觀察到，隨著負載逐漸減小，pt的諧振頻率有所下降，如圖2-5c所示。圖2-5d反應了pt的頻率諧振特性，從圖中可以看出，pt相當于一個具有放大功能的窄帶濾波器，只有當輸人信號(電壓)的頻率接近 pt的諧振額率時，此電壓才被大幅度放大，當輸人信號的頻率偏離 pt的諧振頻率較大時(lkhz)，

31、放大倍數(shù)大大降低。圖2-4 測試線路 圖2-5 測試曲線2.3.2阻抗特性 pt的阻抗特性如圖2-6所示。測試條件為輸出端開路 ，無整流電路 。圖2-6a顯示 ，pt的半 波諧振頻率為35khz，全渡諧振頻率為70khz，這與振動理論分 析的結(jié)果 是相同的。圖2-6b是 pt輸人端電壓與電流間的相位差隨頻率變化的曲線 。由圖可見 ，在正、反兩個諧振點上，相位差為0，輸人阻抗為純阻性 ；兩點之間為感性 ；兩點外為容性 ，電壓落后于電流。 圖2-6 阻抗特性2.3.3頻率特性 電磁變壓器工作頻率決定鐵心材料 、繞組及繞組的分部參數(shù)，一般來說它可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)工作。 壓電陶瓷變壓器只有在頻率等

32、于壓電變壓器固有諧振頻率的驅(qū)動電壓激勵下 ，使陶瓷片 處于諧振狀態(tài)，沿其長度方向振動最強的情況下 ，才有升壓作用。陶瓷變壓器的諧振頻率 、決定于陶瓷片的幾何尺寸和材料的聲速 ，即 式中v是材料的聲速，是沿長度方向的駐波波長。若 =2l，即陶瓷變壓器之長度等于全波波長時，稱全波諧振 ，此時駐波節(jié)點有兩個 ，分別位于片長兩端的四分之一處 。若 = 4l，即壓電變壓器的長度等于半波長時 ，稱為半波諧振，此時，節(jié)點有一個，位于片長的中間。因駐波節(jié)點振幅為零 ，所以壓電陶瓷變壓器的固定支承點應選在駐波的節(jié)點上 ，正確選擇支承點位置，使用壓電陶瓷變壓器時必須注意。圖2-7為測定 wtb一2型壓電陶瓷變壓器

33、的升壓比一頻率特性。 從圖2-7可以看出，壓電陶瓷變壓器升壓比隨輸入電壓的頻率變化而變化 ，在諧振頻率附近 升壓比最大 ，它的頻帶很窄。從壓電變壓器的轄入端觀看 ，內(nèi)部等效電路如圖 2-8，它與水晶振子的特性相似 ，壓電陶瓷變壓器 ，不管是半波諧振或者全波諧振 ，都呈申聰諧振性質(zhì) ，其諧振頻率分別為 ，這是壓電陶瓷變壓器的一個重要性質(zhì) ，也是它與線繞變壓器的一個重要差別12 圖2-7 g-f特性曲線圖2-8 輸入回路等效電路2.3.4溫度特性一般線繞式變壓器在教寬的溫度變化范圍內(nèi)，電氣特性幾乎沒有多少變化，但在高于100以上時，由于一般的絕緣材料老化速度大大加快而使變壓器的壽命很快下降，甚至燒

34、壞。陶瓷變壓器的耐熱性能教好，通常以鋯鈦酸鉛為主的陶瓷材料，其失效的居里點可高達350以上，因此，一般不會燒壞。但是陶瓷變壓器在工作時，對工作變化敏感，特別時候在低溫范圍（0），由于溫度變化了使諧振頻率的漂移，結(jié)果升壓比將有變化，對工作穩(wěn)定性有一定的影響。 圖2-9 溫度特性曲線圖從圖2-9可看出，壓電變壓器的諧振頻率隨溫度升高而增大，因此環(huán)境溫度的變化和陶瓷變壓器本身因機械和介質(zhì)損耗而發(fā)熱，將引起諧振頻率的漂移，從而影響陶瓷變壓器的穩(wěn)定輸出。要克服這個問題，除了要求選用溫度特性較好的材料做變壓器外，在設計驅(qū)動電路時，一般要采取穩(wěn)壓措施，才能保證陶瓷變壓器工作的穩(wěn)定性。2.3.5負載特性負載特

35、性表示在輸入電壓一定的條件下，輸出電壓隨負載變化的關(guān)系。特性曲線表明：輸出電壓隨負載阻抗增大而增加。陶瓷變壓器這個特性是由于輸入阻抗較大（約在十幾兆歐至幾十兆歐）引起的。因此，在負載變動的情況下，采用陶瓷變壓器作高壓電源時，必須采取措施，才能保證高壓有較好的調(diào)整率13。第三章 壓電陶瓷變壓器高壓電源設計3.1設計思想 驅(qū)動壓電陶瓷變壓器的頻率，需要與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率保持一致，而實際上壓電陶瓷變壓器的諧振頻率常常受到負載阻抗、環(huán)境溫度等外界因素的影響而發(fā)生變化。為了得到最佳輸出，需要跟蹤諧振頻率的變化對驅(qū)動頻率進行自動調(diào)整。如圖3-1所示。門驅(qū) 動部 分提 供 50 占空比的方波，使ms

36、1和 vmos2輪流導通，為壓電變壓器提供交 變的激勵 電壓，此電壓經(jīng)壓電變壓器升高，供給ccfl。ccfl的輸出電流被送入反饋 回路。反饋回路由iv轉(zhuǎn)換模塊、比較器和vco模塊組成。iv轉(zhuǎn)換模塊將 ccfl的電流轉(zhuǎn)換為信號電壓 ，比較器將此電壓與參考電壓對 比，產(chǎn)生控制電壓送人 vco，vco調(diào)節(jié)門驅(qū)動的輸出頻率使整個驅(qū)動器的輸出功率保持在參考電壓設定的水平上。另外由于電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大，當負載變化時,輸出電壓隋之變化，難以滿足高壓電源輸出電壓穩(wěn)定性的技術(shù)要求，因此也需要一種調(diào)整電路對輸出高壓進行自動調(diào)整。我們以雙管自激式振蕩電路為驅(qū)動電路，以脈寬調(diào)制器為高壓穩(wěn)定調(diào)整電路，設計了一種

37、高效率、高穩(wěn)定性壓電陶瓷變壓器高壓電源，在這種情況下使用壓電陶瓷變壓器最大優(yōu)點：一是無需另外設置壓電陶瓷變壓器驅(qū)動震蕩源，壓電陶瓷變壓器素如端串聯(lián)回路具有選頻特性，利用行輸出電壓的高次諧波激勵壓電陶瓷變壓器，使壓電套變壓器工作在諧振狀態(tài)，以獲得顯示器所需要的高壓。二是在電路設計十無須考慮變壓器本身的絕緣以及漏感和分布電容的影響，使設計和制作簡單化6。圖3-1 ccfl驅(qū)動器3.2壓電陶瓷變壓器的選取和計算3.2.1壓電陶瓷變壓器的選取 按照從驅(qū)動部分到發(fā)電部分能量的變換方式，可以把壓電變壓器分為縱一縱式，橫一縱式，橫一橫式三種，如圖3-2所示。圖3-2 常見壓電變壓器結(jié)構(gòu)(a)縱一縱式：(b)

38、橫一縱式：(c)橫一橫式縱一縱式和橫一橫式壓電變壓器是對稱結(jié)構(gòu)。當驅(qū)動部分和發(fā)電部分的體積相等時，這種壓電變壓器的升壓比僅由壓電元件的諧振特性來確定。橫一縱式壓電變在器是不對稱的結(jié)構(gòu)。它的升壓比不僅和壓電元件的諧振特性有關(guān)，而且和發(fā)電部分的長度與驅(qū)動部分厚度之比有關(guān)。在同樣尺寸的情況下，橫一縱式和縱一縱式壓電變壓器的輸出電壓要比橫一橫式高。 為了得到高的升壓比，常用橫一縱式。因此，我們利用壓電陶瓷變壓器設計顯示器高壓電源時，常采用橫一縱式陶瓷變壓器。 壓電變電器的固定方式采用橡皮襯墊固定，橡皮襯墊所放的位置不能隨便，不適當?shù)闹螘茐拇善駝訔l件，嚴重影響壓電變壓器的升壓比及效率。因此，必須放

39、在壓電變壓器上節(jié)點上，或者說振動幅度最小的位置。具體來說，對于以全波模工作的壓電變壓器，支點應在瓷片長度為14和34點處，對于半波模壓電變壓器，支點應在瓷片的中點處。支撐位置選在這些位置上，不影響陶瓷變壓器的工作狀態(tài)，正確選擇支撐位置，使其有利于主振動模式而不利于寄生振動模式。因為陶瓷變壓器具有多個寄生振動模式，使用時必須加以考慮。3.2.2壓點陶瓷變壓器主要尺寸的設計與計算陶瓷變壓器的頻率常數(shù)只與壓電材料的性質(zhì)，振動模式有關(guān)，而與振子的尺寸無關(guān)。所謂頻率常數(shù)n是指諧振子的諧振頻率f，與主振動方向長度(或直徑)的乘積。它是一個常數(shù)，單位為hzm或khzmm。對于長為l的薄長片長度伸縮振動模式或

40、壓電振子，其頻率常數(shù)為： 、 當材料的頻率常數(shù)n確定后，就可以根據(jù)所需要的諧振頻率來確定壓電振子尺寸，同樣，改變陶瓷片長度，陶瓷片的諧振頻率也隨以改變。我們所使用的顯示器行頻為15695khz(約157khz)，利用顯示器的高次諧波(四次諧波)頻率為15695khz4=62780khz的來激勵陶瓷變壓器，使陶瓷變壓器工作在諧振狀態(tài)。對于同一陶瓷片，有 實驗測得： =48270khz， =74mm 電路要求： =4 x 1 5695khz=62780khz因此陶瓷變壓器的長度為： =(48270khz x 74mm62780khz)57mm=57cm若選二倍頻激勵陶瓷變壓器，則陶瓷變壓器的長度加

41、倍。即 l=257cm=114cm陶瓷片太長，體積增大，失去了陶瓷變壓器的優(yōu)越性。又根據(jù)對行輸出管電壓波形傅氏級數(shù)分析可知，三次諧波和五次諧波分量為零，而六次諧波的振幅小于四次諧波的振幅，所以采用行輸出管電壓波形的四次諧波而不采用基波和其它高次諧波來激勵陶瓷變壓器16。3.3電路的設計圖3-3壓電陶瓷變壓器高壓電源電路圖圖3-3壓電陶瓷變壓器高壓電源電路圖圖3-3中組成自激式振蕩電路，為驅(qū)動變壓器，為反饋振蕩線，t是壓電陶瓷變壓器，組成諧振回路，合理調(diào)整的電感量，使諧振頻率等于壓電陶瓷變壓器諧振頻率，這時壓電陶瓷變壓器輸出電壓最高，輸入阻抗最低，當壓電陶瓷變壓器的固有諧振頻率發(fā)生變化時，通過反

42、饋實現(xiàn)驅(qū)動電路的頻率跟蹤。 下面以負載電阻增加使輸出電壓升高為例耒說明高壓穩(wěn)定原理：當高壓升高時，脈寬調(diào)制器反相輸入端1腳電壓升高，輸出端2腳輸出脈寬變窄，經(jīng)過晶體管電流放大，濾波后的輸出電壓（即自激式振蕩電路的輸入電壓）降底,又使輸出高壓降底,從而實現(xiàn)了該電源輸出的穩(wěn)定。值電流幾乎減少一半，因此激勵行輸出管用的激勵功率也可以相應減小，使激勵級負載相應減輕。因此，在行輸出級采用自舉升壓電路，使行線性得到改善，而電路的其他部分仍采用低壓供電，避免增加電路器件耐壓要求，降低整機成本。壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器采用高頻變壓器，它的初級線圈是與行偏轉(zhuǎn)線圈并聯(lián)的，在逆程期間，它與行偏轉(zhuǎn)線圈一樣也有逆程脈

43、沖電虛加到初級線圈上。驅(qū)動變壓器的次級繞組和，把這個逆程脈沖電壓升高到我們所需要的電壓值。利用陶瓷變壓器進行升壓，再經(jīng)過倍壓整流就可得到10千伏的高壓輸出。3.4驅(qū)動變壓器的設計與計算（1）驅(qū)動變壓器磁芯材料的選取對于工作在20khz左右的高頻變壓器來說，它要求磁芯材料在該頻率下磁滯損耗盡可能??；此外，還要求飽和磁通密度高；隨著工作溫度升高，飽和磁通密度的降低盡量小等等。為了減小磁滯損耗，使驅(qū)動變壓器小型化，我們選擇電阻率高，磁導率大，飽和磁通密度較高的錳-鋅鐵氧體r2kbd材料，型號為ei22。表3-1 材料參數(shù) 驅(qū)動變壓器磁芯的工作狀態(tài)，由于行輸出級輸出的脈沖是單方向的，也就是經(jīng)常在單方向

44、加磁化電流。因此，陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器只利用軟磁鐵氧體磁滯回線的一個象限,磁通密度不是從-bmax至+bmax變化，工作磁滯回線而是以br和bmax為頂點的小回環(huán)，即不以磁滯回線的原點對稱工作。穩(wěn)態(tài)工作時，我們根據(jù)實際使用的最惡劣條件(最大工作脈沖寬度和工作溫度時)來選擇工作磁通密度b，使其小于bs或根據(jù)允許的勵磁電流來決定最大的工作磁通密度bmax。選擇較高的工作磁通密度，將可使高頻變壓器具有更小的體積,但是要注意避免磁芯的飽和，因為磁芯的飽和將意味著高頻變壓器勵磁電流將急劇增加，這顯然將會導致與之連接的高壓開關(guān)管承受極大的電流，電壓而損壞，選擇較小的工作磁通密度，減小了勵磁電流，降低了磁

45、芯的損耗，對提高變壓器的效率，降低溫升也有利，但這是以體積的增大為代價。（2）驅(qū)動變壓器設計計算公式：1.初級繞組電感量lp按下式求得： 其中u。，為真空導磁率， =4hcm：為磁芯材料的相對導磁率，它不是常數(shù)，鐵氧體的約為8005000，一般可取1500；se為磁芯有效截面積(c)：le為有效磁路長度(cm)。2.勵磁電流ip按下式求得： ip= (a)其中單位為伏(v)，ton為秒，l用亨(h)3.磁場強度h按下_式求得：h=0.42式中，h為有效磁路長度，單位oe；le為有效磁路長度，單位cm; ip為初級繞細繞組中最大電流，單位a，hmax為磁芯允許使用的最大小飽和磁場強度，單位oe4

46、.初級繞組匝數(shù)n的計算式式中，se為磁芯有效截面積，單位：；是最大磁感應強度，單位：是剩余磁感應強度，單位：是行輸出管導通時間，單位：s。5.驅(qū)動變壓器主要技術(shù)參數(shù)： ec=12v =25v05v(自舉升壓) =44 u s(實測) =330v (實測) =250v (實測) vo=12kv io=100 u a f=15695khz157khz （3）壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動變壓器實際計算 1磁芯選取 驅(qū)動變壓器所選磁芯選用金寧無線電器材廠生產(chǎn)的錳一鋅鐵氧體r2kbd材料，其型號為e122， bs =5l00gs br=1000gs hmax=8 0e le=396cm se=041 c。由bh

47、溫度特性曲線可知，磁芯溫度應使用在100以下，此時的飽和磁通不低于4000gs，為了防止合閘瞬間驅(qū)動變壓器飽和，并使鐵氧體磁芯溫度系數(shù)盡量小，通常選取變壓器的最高工作溫度為60，最大工作磁通密度為 bmax=08bs=085 1 00gs=4080gs取bmax=4100gs2.初級繞組匝數(shù)計算=86 初級繞組，：實際上相當于一自耦變壓器，因此 =(12v25v)=(12v25v)86=40 所以， = -=86-40=463次級匝數(shù)計算 設初級反峰電壓為： ucp=8=826=208 因此每圈伏數(shù)為：20886=242 則400v中壓次級匝數(shù)為： =330242=136 陶瓷變壓器兩端的匝數(shù)

48、為： =250v242：103 經(jīng)實驗后各繞組匝數(shù)確定為：=57t=21t=105t=36t =125t4初級線圈電感量計算 偏轉(zhuǎn)線圈的電感量ly： ly=()=25。(44)。5 0=024mh 式中ec=255v，ts=44s， =5.0mh 初級線圈的電感量lp： 已知初級匝數(shù)ni：57，e122磁芯參數(shù)， 有效截面積s=041c，有效磁路長度le=396cm，鐵氧體的r約為8005000，一般可取1500，于是初級線圈的電感量lp為： lp=(4=6 .3mh滿足比大的要求，對的分流作用可忽略5流過初級繞組最大電流計算 ip=()=254463=0.174a 6.穩(wěn)態(tài)工作磁場強度 h=

49、0 42 iple =0425701743 .96 =l.05 oe hmax 8 oe hhmax磁芯不飽和3.5倍壓整流電路的設計陶瓷變壓器輸出倍壓整流電路常采用科克羅夫特一沃爾頓(cockcroft-walton)電路，這種電路由n個整流元件和n個電容組成的n倍壓整流電路。此電路的特點是將整流元件串聯(lián)連接，電容器按每隔一接點的方式接入，分布在兩測，呈疊層形，由于電容器是疊層串聯(lián)，其結(jié)果可產(chǎn)生ne電壓，并且使用耐壓為e的電容器即可滿足要求。在直流變換器中可通過提高變換電路的頻率獲得直流高壓，采用此種電路最為適宜。由于壓電陶瓷變壓器本身是容性輸出，所以采用科克羅夫特一沃爾頓(cockcrof

50、twalton)倍壓整流電路時可節(jié)省一個電容。 為了得到必需的陽極高壓，首先依靠陶瓷變壓器把逆程脈沖電壓提高到必需的幅值，然后再整流。倍壓整流電路必須滿足如下要求： (1)高壓應當滿足所用顯象管的技術(shù)條件 (2)應當保證規(guī)定的最大負載電流 (3)當負載電流從零變化到最大值時，應滿足高壓調(diào)整率的要求。 (4)整流二極管的允許電流，反向電壓，功率損耗均應符合要求 (5)高壓部分消耗的功率應當最小為了滿足上述要求，必須使陶瓷變壓器輸出阻抗和整流電路的阻抗相匹配，在負載變化時，不致引起陶瓷變壓器的效率急劇下降，一般采用四倍壓整流電路。所謂四倍壓，是指輸出高壓v。值是陶瓷變壓器輸出電壓有效值的四倍，其次

51、，泄放電阻大小直接影響輸出電壓的穩(wěn)定性。實驗表明：泄放電阻選用100m-150 m為宜，可以改善其輸出穩(wěn)定性21。第四章 壓電陶瓷變壓器高壓電源性能測試我們按以上設計參數(shù)制作的壓電陶瓷變壓器高壓電源，在實驗室內(nèi)對該電源的主要指標進行了初步測試，其結(jié)果如下：(1)時間的穩(wěn)定性將24v直流電壓加在壓電陶瓷變壓器高壓電源輸入端，調(diào)節(jié)使電源輸出電壓為10kv，在負載電阻( =10m)不變條件下，改變輸入電壓(變化量為20)可測得電源的輸入-輸出特性曲線如圖2-2所示，從圖4-1可以看出，這種設計使得壓電陶瓷變壓器高壓電源具有很好的電壓穩(wěn)定性，電壓調(diào)整率小于2%。 圖4-1 時間特性曲線 （2）溫度特性

52、下圖表示輸出高壓隨環(huán)境溫度變化曲線，從圖4-2中可看出，溫度從10升到60時，輸出高壓vl從12kv降到118kv，即高壓變化率vlvl02， 而且在一段較寬的溫度范圍內(nèi)，例如，溫度從1030輸出高壓不變，溫度從40一60輸出高壓變化較小，說明電源的溫度特性較好，可在較寬溫度范圍內(nèi)工作。圖4-2 溫度特性曲線(3)負載特性 該電源設計輸出電流為200a，在輸入電壓為24v、輸出電壓為10kv條件下，改變負載電阻，使輸電流從0-200a變化，測得輸出電壓變化量為100v，負載調(diào)整率1。 第五章 結(jié)論1. 用壓電變壓器設計出10kv的直流高壓電源，電路結(jié)構(gòu)簡單，壓電陶瓷變壓器是一種新型的壓電換能器

53、件，它在結(jié)構(gòu)與特性上和傳統(tǒng)的線繞鐵芯電磁變壓器有很大的區(qū)別。 2.該電源在較寬的溫度范圍內(nèi)，溫升低，經(jīng)時穩(wěn)定性好，具有較低的生產(chǎn)價格成本。3.壓電陶瓷變壓器替換普通磁芯線繞變壓器，由于它既不用磁芯，也不需要銅線繞組，不僅克服了逆程變壓器的高壓繞組的繞制及絕緣處理的困難，而且逆程變壓器的高壓協(xié)調(diào)問題無須考慮，振鈴現(xiàn)象不會發(fā)生，大大提高了變壓器的效率，同時，它的體積小，重量輕，不會打火擊穿，不怕短路燒毀，不發(fā)霉，不受電磁干擾，故障率低，可靠性高，使用壽命長。4. 隨著電子工業(yè)的發(fā)展，要求電子元器件向小型化和集成化方向發(fā)展，壓電變壓器也要向這個方向發(fā)展。目前過高的燒結(jié)溫度不利于壓電變壓器的集成化。因

54、此，薄膜化、多層化、低溫制備將是壓電變壓器的一個強烈的發(fā)展趨勢。致謝本文從選題，文獻的收集，實驗的設計，論文的協(xié)作是在導師王龍海教授的悉心指導下完成的，他的坦率 、務實、嚴謹、敬業(yè)給我太深的影響;他的指導、幫助、關(guān)心、教誨，使我終生受益。在設計過程中還有同學們的熱情地鼓勵與無私的幫助。在這次的畢業(yè)設計中，讓我深深體會到進行軟件開發(fā)不是一件簡單的事情，它需要設計者具有全面的專業(yè)知識、縝密的思維、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度以及較高的分析問題、解決問題的能力，而我在很多方面還有欠缺。通過畢業(yè)設計我對實驗研究方法和實驗操作技能等要領(lǐng)的掌握有了更深的理解，在此特向恩師王龍海老師致以崇高敬意和深深的謝意。最后要特別感謝我的父母，感謝他們多年來對我的教育和養(yǎng)育之恩，感謝他們用無私的愛支持我順利的完成學業(yè)。 武奎 2007年5月30日參考文獻1 王瑞華編著. 脈沖變壓器設計. 科學出版社. 19872 劉勝得等. 顯示器電路變換原理與維修. 電子工業(yè)出版社. 19973 柴荔英. 壓電陶瓷變壓器驅(qū)動電路的研究. 武漢師范學院報. 19784 李道愷 唐恩鳴. 陶瓷變壓器高壓穩(wěn)壓電源. 山東大學學報. 1979.2：49-565 鐘維烈.鐵電學物理. 科學出版社