压电变压器材料、工作原理及其应用举例
1 引言实现电子元器件的小型、轻量、低高度和低功耗是信息产业及其产品发展的普遍要求。电子电器产品中，电子变压器不可或缺。传统的电磁变压器对上述要求很难满足，因此，压电陶瓷变压器得以快速发展和被广泛应用。压电陶瓷变压器与传统的电磁变压器比较，具有高的升压比和小的体积，并且不产生电磁干扰。 在上世纪60年代，压电变压器已得到应用，主要应用于需要绝缘电阻高、耐压性能好的黑白电视机的阴极射线管高压电源上，而其主要采用Rosen型横纵式结构，当时曾有较好的发展。随着黑白电视机转向发展彩色电视机，彩电的变压器输出功率要求大于30W。因当时的压电材料及压电变压器生产的工世技术水平的限制，无法开发出大功率的压电陶瓷变压器，为此使压电变压器的研究发展陷入了滞缓状态。直到上世纪90年代，压电材料及压电器件的研发条件有了改善，使压电变压器的输出功率达到了65W以上。同时，随着多种轻小型化电子设备如手机、数码相机、打印机、便携式电脑的广泛应用，具有高升压比、功率损耗小的压电变压器有了更多新的应用领域，因此也进一步得到发展。 2 压电陶瓷材料及其发展简况压电变压器的核心材料是具有压电效应的钙钛矿型压电陶瓷材料。压电变压器正是凭借铁电材料将电能和机械能之间进行能量转换的压电效应来实现升降压的。压电效应是因为晶体在机械力的作用下发生形状变化时所引起带电粒子的相互位移而产生了晶体的总电矩发生变化而形成的。与压电效应相反的逆压效应则是晶体在电场的作用下，引起带电粒子的相互位移而使晶体发生形变的过程。 压电效应的发现，可以追溯到1880年居里兄弟首先发现的单晶体的压电效应。自那以后，人们发现在自然界中的32种晶体群中，有20种为非中心对称的晶体。由于非中心对称的晶体介质之极性是固有的，所以它们都存在压电效应。但压电效应真正被用来开发产品则是在具有很强压电效应的钛酸钡(BaTiO3)陶瓷材料出现以后。因为在BaTiO3陶瓷材料研发过程中，科学家探讨了它们的介电常数和极化性能。BaTiO3压电陶瓷首先被开发成了留声机拾音器，然后出现了换能器、滤波器等等。 对于制作压电陶瓷变压器的材料，要求具备下列性能特点：高的机电耦合系数和品质因数；具有良好的温度稳定性和时间稳定性；具有优良的机械强度；良好的频率稳定性。压电陶瓷初期的二元锆钛酸铅系(PZT)的性能并不能满足这些要求，于是掺杂了其它元素的三元系和四元系压电陶瓷或以PT(PbTiO3)为主体的多元系压电陶瓷被开发出来，其中的PT由于其具有高的kt/kp，能够有效地消除寄生振荡。总之，掺杂可以得到以下好处；首先可减少pbo的挥发；其次是提高了材料的机械品质因数和机电耦合系数；三是提高了材料的稳定性。表1列出了掺杂不同离子对材料的影响情况。对于压电变压器而言，第三组元一般选用使降低，增加的受主离子添加物。如果压电材料是四元系的，则一般是其一种组元选用受主添加物，另一种选用施主添加物，似便得到高K和高Qm的压电材料。参考资料介绍了利用掺杂的办法制备出了高性能的四元系压电陶瓷材料PMMN-PZT。其分子式为：pb1-0.02(Mg1/3 Nb2/3)A(Mn1/3 Nb2/3)BTiCZrD O3 0.02mol% Sr(D=9A，C=D，A B C D=1)，其性能参数为K33≈0.73，K31≈10.31，Qm≈3500，tgδ≈0.002%。正是使用这种材料，制成了功率高达65W的叠层式压电变压器。参考资料利用(pb0.76 Ca0.24)[(Co0.5W0.5)Ti0.96]O3 1.5mol% MnO2(K=0.49)材料设计制作了工作频率为1.56MHz、振动模式为厚度振动的叠层式压电变压器。 随着电子工业与电子产品的发以及人类对环境保护要求与人类社会可持续发的需要，研发新型环境友好的压电陶瓷材料已成为各发达国家关注的目标。2001年，欧洲议会通过的两项新环保指令中《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》(ROHS)，规定在2006年7月1日以后投放欧盟市场的电气和电子产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚6种有害物质。对压电变压器而言，其铅元素可以申请豁免，但其它五种物质绝对禁止使用。因此，开发限制铅元素的压电陶瓷材料就成了压电变压器发展的决定因素。目前，无铅压电陶瓷材料主要有含铋层状结构和NBT(NaTiO3)基两大类。 |
