浅谈压电陶瓷变压器

1 引言
随着社会的发展进步，人们日常工作与生活中的一些常用办公或个人产品，如移动通讯设备，个人计算机、传真机、数码相机等，以及一些特殊场合应用的装备如航天航空电子、汽车电子…都要求实现轻小薄型化、高效率、高功率密度和多功能化。这些产品的电源供应特点是，或者是低压大电流，如办公与个人用电子产品，或者是超高电压，如雷达、静电复印机…。以往，这些产品的供电电源中多采用电磁式变压器。在实际使用中，我们很熟悉电磁式变压器的主要缺点，例如，体积大，往往占电源系统总体积的25%左右；对其高压侧的绕组及其绝缘层的处理比较困难，致使在高压下工作时容易发生打火甚至击穿，因此，故障率较高。同时，电磁式变压器在高频状况下工作时，其磁性损耗和涡流损耗增大。还有，电磁式变压器难以实现小型扁平化，目前它们是三大被动元件中小型化程度最低的。在终端产品需求的推动下，人们发现，采用压电陶瓷变压器可以较好地解决电磁式变压器的这些不足。使用铁电材料如PZT、PCM、PCM、PSM、PMMN等经过高温烧结，高压极化等等一系列工艺操作所获得的压电陶瓷变压器可以达到体积小、重量轻、不会击穿、不怕短路、不受潮湿影响、变压比高等要求。但是，常规结构的压电陶瓷变压器（见图1所示）的工作频率较低，输入阻抗较大，所以不适宜用作高频功率变换器的电源变压器，但可以通过改变其结构和振荡模式来实现。
2 压电陶瓷变压器的一般概念与工作原理
2.1 一般概念
与传统的电磁式变压器比较，压电陶瓷变压器所用的材料、产品的结构、工艺技术及工作原理均不相同。电磁式变压器所用的主材是磁性材料和导电材料，分别用作结构的磁心和绕组，其能量变换形式是电—磁—电。而压电陶瓷变压器所用的主材是二元系压电陶瓷材料（PZT）如锆钛酸铅，三元系压电陶瓷材料(PCM、PSM)——即在PZT基础上添加其它元素以及四元系压电陶瓷材料（PMMN）等。经高温烧结和高压极化而制成产品，其能量变换方式是电—机—电。由此可见，电磁式变压器的能量变换按其结构形式需要在一个正交的立体空间完成，而压电陶瓷变压器可以在一个平面内进行能量变换，因此，压电陶瓷变压器容易设计成片式化结构。
2.2 工作原理
压电陶瓷变压器的工作原理是利用压电陶瓷材料的特性——正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应就是这种材料在力的作用下（或变形）产生电荷或电压，而逆压电效应就是施加电压时，该材料产生变形或振动。压电陶瓷变压器的工作原理，就是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应特性，通过对压电陶瓷体的电极和极化方向取向特点进行设计，利用逆压电效应使与输入端相连接的压电陶瓷体在电压作用下产生机械振动，再通过正压电效应使与输出端连接的压电陶瓷体产生电压。当输入端和输出端的阻抗不相等时，则导致其两端的电压和电流也不相等，由此实现输入端和输出端之间电压与电流大小变换的功能。
图1所示为压电陶瓷变压器工作原理的示意图。当其左端的驱动部分（输入端）加上电压以后，导致整个压电陶瓷体振动，使发电部分（输出端）产生输出电压，因此实现变压器功能。
3 压电陶瓷变压器结构及主要特点
3.1 压电陶瓷变压器的发展简介
压电材料及其应用的划时代进展开始于第二次世界大战中发现的BaTiO3陶瓷付诸应用之后。1947年，美国科学家S.Roberts在BaTiO3陶瓷体上加高电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电特性。随后，美国、前苏联、日本等都积极地应用BaTiO3压电陶瓷开展超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件、滤波器件以及谐振器等压电器件研究。1956年，美国科学家C.A.Rosen研制成功用BaTiO3压电陶瓷材料制作的具有升高输出电压的压电陶瓷变压器，其结构示图见图2。但该变压器的升压比较低，仅50~60倍，故在应用上未引起人们重视。需要指出的是，几乎与此同时，美国科学家B.Jaffe等人发现了比BaTiO3性能优越得多的锆钛酸铅太电陶瓷材料等二元压电陶瓷材料(PZT)，这大大地加快了压电陶瓷材料应用速度和前景。PZT压电陶瓷的发明，不仅在许多应用领域几乎取代了BaTiO3，而且也带动了压电陶瓷变压器等压电元器件的研究与发展。如当时日本的科学家们用PZT研发成功了数百倍升压比的压电陶瓷变压器，其输出功率也大为提高。1960年以后，对压电陶瓷材料的研究快速发展。如前苏联科学家T.A.Cmonehcker等提出了新型复合钙钛矿型化合物的合成法，对压电陶瓷材料的发展起到了积极的推动作用。1965年之后，三元系压电陶瓷材料（PCM、PSM）和四元系压电陶瓷材料（PMMN）等新材料不断被推出，这也更推动了多种新型压电陶瓷器件以及材料的研究和应用。