径向多层压电陶瓷枣庄干式变压器的性能分析

　　生产与应用径向多层压电陶瓷枣庄干式变压器的性能分析金光浪，潘玉安，范跃农，曹良足，胡鸿豪（景德镇陶瓷学院，景德镇333001）并详细分析了它的效率、共振频率、输出功率、电压变比等性能。

　　前言压电陶瓷枣庄干式变压器采用压电陶瓷材料制成，最早于1956年由美国人C.A.Rosen提出，并研制出第一个单层压电陶瓷枣庄干式变压器，但限于当时的科技水平，产品实用性极差。由于压电陶瓷枣庄干式变压器具有效率高、薄型化、重量轻、升压比高、无电磁干扰、不易燃、安全稳定等优点，许多知名电子元器件厂家一直在该领域开展了大量研究。随着现代电子技术的飞速发展、制造工艺水平的极大提高，产品日益成熟，特别是近十年，电子产品小型化、薄型化、高效化的要求对它的需求越来越大，目前比较成熟的产品是Rosen型和厚度振动型，前者在液晶显示器背光电源及一些小型高压电源中得到广泛应用，后者在开关电源中应用较广。

　　近来对横向振动型压电枣庄干式变压器的研究取得了很大进展，其中最典型的是径向振动型压电陶瓷枣庄干式变压器，本文介绍了这种压电陶瓷枣庄干式变压器的工作原理、等效电路，并分析了其性能。

　　工作原理压电陶瓷材料具有极化特性和压电特性。所谓极化特性是指压电陶瓷材料在外电场作用下内部电畴与外加电场取向一致；所谓压电特性是指在一个极化好的压电陶瓷材料上施加一个压力，则有自由电荷流入外接电路，这种现象称为压电效应；反之称为逆压电效应。

　　压电陶瓷枣庄干式变压器将逆压电效应与压电效应结合起来，其基本原理是利用输入交变电压使压电陶瓷片处在机械简谐振动状态，再由输出端电极利用正压电效应将简谐振动的机械能换成同频率的电能，从而完成电能一机械能一电能的能量传递过程。一般情况下要求输入电压频率应与压电陶瓷的固有频率一致，这样瓷片会产生机械共振现象，从而能有效地传递能量。

　　单层径向压电陶瓷枣庄干式变压器的基本结构如所示：整个压电枣庄干式变压器可以分成两部分：下半部分沿厚度方向极化且沿径向应变，作为输入端，称为驱动部分；上半部分也沿厚度方向极化且沿径向应变，作为输出端，称为感应部分。当正弦交变电压加到输入端时，压电枣庄干式变压器产生沿径向振动；而感应部分通过正压电效应，产生电压输出。（b）是一多层枣庄干式变压器结构（n1=3，n2=1）的结构示意图。

　　径向压电陶瓷枣庄干式变压器的基本结构性能分析在分析压电陶瓷枣庄干式变压器时，利用如所示的等效电路，其中：R为压电瓷片振动阻尼等效电阻；L为压电瓷片质量（惯性）等效电感；C为压电瓷片弹性系数等效电容；Cd1、Cd2S输入和输出的平板电极电容。下面选取一个样本，其参数分别为：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以该样本参数为例对多层径向压电枣庄干式变压器性能进行分析，并用MATLAB绘制各自的特性曲线。

　　3.1枣庄干式变压器效率径向压电陶瓷枣庄干式变压器等效电路当输出端接上一个负载电阻时，如所示，枣庄干式变压器效率，共振频率枣庄干式变压器输出功率、电压变比等性能如何是我们所关心的，我们采用将输出端的负载与电容折算到输人部分的办法来进行分析，如3⑴）所示，再将并联阻抗转换为串联m抗，如（c）所示。输人法中：容易证明：莅给定负载不变的情况下，当M―0，则n―1；当W―'则n―0；当R，=1/mCm时，有<1 h2WwRCmh效率与负载间的特性曲线如（b）所示。效率，频率、负载三者之间的关系如（c）所示。

　　3.2共振频率（b）的等效电路可知，当Rl-0时的共振频率为f=l/1）为共振频率，可以证明：iRs=R时（此时的尺！！对应了两个值），输出功率最大，Pmax=1/（4R）；当dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）时，输出功率出现极小+RL）2；归一化输出功率与负载的m特性曲线如所示。

　　3.4电压变化电压变比为输出电压与输入电压之比，即Au=Uut/Uin，根据（b）的等效电路可知，在压电陶瓷枣庄干式变压器发生共振的情况下，电压变比由下式决定时，电压变比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲线如所示。

　　结束语根据以上分析可知，多层径向振动压电陶瓷枣庄干式变压器具有共振频率低、效率高、输出功能大等特点，而且它的共振频率更纯，不像其它类型的压电枣庄干式变压器受各方向机械振动尺寸的不均匀影响而有杂波，加上它的体积更小，更薄、重量更轻、无电磁干扰、不易燃、安全稳定等优点，因此有望在低频或工频领域获得广泛应用，但是径向振动型压电枣庄干式变压器的电压变比不及Rosen型，因此较难以应用到高压领域。