多層壓電陶瓷變壓器及其應用技術
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/13 源自:互聯網 【字體：
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1引言
壓電陶瓷變壓器最早于1956年由美國人C.A.Rosen提出，他根據壓電理論及壓電方程對壓電變壓器的基本工作原理進行了闡述，并制成單層壓電陶瓷變壓器；之后數年，人們對壓電變壓器理論及其應用進行了廣泛的研究，得到一些實際應用，但因特性欠佳，制造工藝不完善，成本較高等，未獲得廣泛的應用。因此，20世紀60年代到70年代初可以看成壓電變壓器發展的初級階段，僅限于單層壓電陶瓷變壓器。
1980年，中國科學家首先提出采用多層技術制造壓電陶瓷變壓器，并且制作出第一支多層壓電陶瓷變壓器，可簡稱MPT（MultilayerPiezoelectricTransformer）。由于多層壓電變壓器具有獨特的優點，更適合實際應用，因而引起各國科研人員的廣泛關注。隨著電子陶瓷元器件制造技術的發展，尤其是多層陶瓷器件工藝技術的出現和日趨成熟，進入20世紀90年代，電子產品要求小型化、薄型化、高效化，多層壓電變壓器用于液晶顯示器背光電源剛好滿足了這些要求，并克服了傳統電磁變壓器的一些缺點，因此，以日本NEC，TDK，村田，日立金屬等公司為代表的電子元器件廠家在該領域開展了大量研究，20世紀90年代末將壓電變壓器大量用于液晶顯示器背光電源，標志著壓電變壓器制造技術及產業化已經成熟。從20世紀80年代到90年代單層壓電變壓器技術進一步成熟，在一些小型高壓電源中得到實際應用，如負離子發生器、臭氧發生器、靜電噴涂等。
在我國，以清華大學材料系為代表的科研院所在20世紀70年代開始壓電變壓器的研究與開發，在壓電變壓器材料、結構、理論及制造工藝上取得一定的成果。清華大學材料系作為在國際上最早從事多層壓電變壓器研究開發的機構，積極推動了我國多層壓電陶瓷變壓器的產業化進程。
2壓電變壓器的分類及制造工藝
壓電變壓器一般采用鋯鈦酸鉛（PZT）系壓電陶瓷材料經過燒結、極化等工藝制造而成。有工作在超音頻的升壓壓電變壓器，也有工作頻率為工頻的降壓壓電變壓器。與傳統的鐵芯線繞電磁變壓器相比，它具有體積小、使用時不擊穿、耐高溫、不燃燒、電磁干擾很小，且結構簡單，易批量生產等優點。和一般的電磁變壓器一樣，壓電變壓器也具有電壓變換、阻抗變換和電流變換等功能。
用于液晶顯示器背光電源輸出功率為4W左右的電磁變壓器與多層壓電變壓器（含外殼）體積比較,舅圖1A所示，外形尺寸為35.2mm×7.8mm×3.1mm,功率為4W，工作頻率～55kHz,升壓比33，轉換效率93％。
多層壓電陶瓷變壓器，由于各個廠家的產品在內部結構、內外電極形狀上有較大的差異，有的結構具有專利權，因而產品外觀也有區別。圖2為不含外殼的多層壓電變壓器。
壓電變壓器的結構可分為單層壓電變壓器和多層壓電變壓器。按用途可分為升壓型變壓器和降壓型變壓器。升壓與降壓變壓器均可采用單層或多層結構，一般來說，多層結構具有較大的變比與較高的能量傳輸密度。單層壓電變壓器采用傳統的干壓成型工藝，主要工藝過程為：
陶瓷粉體→干壓成型→高溫燒結→電極→極化→性能測試
多層壓電變壓器一般采用與多層陶瓷電容器（MLCC）相類似的制造工藝，但由于單個元件比MLCC大得多，兩者的制造工藝仍有較大的差異，多層壓電變壓器主要工藝過程如下：
陶瓷粉體→流延→內電極印刷→疊層→切塊→高溫燒結→外電極→極化→性能測試
3多層壓電變壓器的工作原理
壓電變壓器也是一種壓電換能器，它利用壓電陶瓷的機電能量轉換機理，一般的壓電換能器只將電能與機械能（超聲波）作單向轉換，即電能→機械能或機械能→電能。壓電變壓器先將輸入的電能轉換為機械能，再將機械能轉換為電能，以Rosen型升壓變壓器為例，
電能————→機械能————→電能
在輸入端施加一定頻率的低壓，由逆壓電效應在變壓器內部首先將電能轉換為機械能——縱駐波傳播，變壓器輸出端再將機械能轉換為電能，產生一定頻率的高壓，從而實現升壓過程，如圖3所示。
單層壓電變壓器的工作原理也可用上圖表示,只是輸入端(初級)為單層。VIN上施加的交流電壓在輸入端沿厚度方向引起陶瓷體的收縮與拉伸應變，這種應變沿長度方向傳遞到輸出端。1/4處與3/4處的支撐點是某諧振頻率下的駐波的節點，壓電變壓器內部電極構造、長度、材料聲速V決定了壓電變壓器可能有多個諧振頻率fn，常用的頻率有λ/2，λ，3λ/2。
fn=n(V/2×長度)
材料的綜合系數g[ω]、輸入端的層數、單層厚度、變壓器的總長度影響升壓比R，它們之間有如下的關系：
R=(長度×層數/單層厚度)×g[ω]
4壓電變壓器的等效電路
由壓電變壓器的工作機理可以看出，壓電變壓器工作過程涉及電學、聲學、壓電學、固體物理學等諸多領域，因此很難用一個簡化模型來解釋它的工作特性，為了研究壓電變壓器在電路中的特性，人們提出了許多壓電變壓器的電路模型，圖4示出一種常見的簡化模型。
模型中的參數值與多層壓電變壓器的結構緊密相關，由多層電極結構和材料介電常數決定了輸入端電容CINPUT較大，一般為幾十nF到幾百nF；輸出端電容COUTPUT因電極距離較大一般為幾十pF。單層壓電變壓器的輸入電容為幾個nF。輸入、輸出電容可用下式來計算：
CINPUT=長度×寬度×層數×/（2×單層厚度）
COUTPUT=2×厚度×寬度×/長度
壓電變壓器自身的機械諧振頻率（ω0）與實際電路中的RLC諧振不同，它與陶瓷材料的彈性模量（Y）、密度（ρ）、長度（Length）有一定的比例關系，即這種機械諧振可以用上圖的RLC串聯電路來描述。這樣，壓電變壓器的有關特性就可借助電路來分析。,Q=ω0×L/R一種有12層，工作頻率達70kHz的多層壓電變壓器，按照上述模型，輸入電容CINPUT=200nF；輸出電容COUT=30pF；n=30；串聯RLC為2Ω，1μH，6nF。
5多層壓電變壓器的諧振工作特性
從以上的工作原理及等效電路可以推論，壓電變壓器工作時首先必須在諧振狀態即外電路驅動與壓電變壓器自身產生諧振，這樣壓電變壓器才能較好的工作，壓電變壓器的許多特性都與諧振密切相關，如輸出電壓、升壓比、轉換效率、輸出輸入阻抗、輸出功率等。多層壓電變壓器工作時使用的頻率范圍較窄，一般為2kHz左右，這也是壓電變壓器與鐵芯線繞電磁變壓器的最大區別。圖5表示只改變輸入信號頻率、其他條件不變時輸出電壓與頻率的關系，可以看出壓電變壓器具有明顯的諧振工作特性。
一般分析壓電變壓器的工作特性，都是在諧振工作狀態。多層壓電變壓器的升壓比（負載100kΩ）為30～100，空載升壓比更高；輸入阻抗較低（最低可達0.5Ω），輸出阻抗較高,因此比較適合在LCD背光電源中驅動冷陰極熒光燈管；文獻報道，多層壓電變壓器的轉換效率最高可達97％，普遍認為負載合適時工作效率大于90％；目前，由于制造工藝等原因，多層壓電變壓器的輸出功率僅限于0.5W～8W，折算功率密度為～1W/g。
多層壓電變壓器的諧振工作頻率范圍較窄，而且頻率隨著電路中的負載特性、參數、變壓器自身工作產生的溫升等條件，需要作較大的調整，壓電變壓器才能很好地工作。因此，在實際電路中，需要對電路工作頻率作自動調節，目前，國內外壓電變壓器背光電源都采用頻率自動調節技術，并與其他控制器件集成在一個專用IC里，從而使壓電變壓器背光電源的性能更加穩定、可靠，利于規模化生產。
6多層壓電變壓器的主要應用
液晶顯示器顯示圖像時需要均勻的背光，背光由一支或多支冷陰極熒光燈管（CCFL）發光來提供。傳統背光電源采用小型線繞式變壓器產生高壓來驅動CCFL，由于體積限制，存在高壓工作時產生擊穿、打火、甚至燃燒現象，伴隨較大的電磁干擾，給實際應用帶來一些問題。多層壓電變壓器的升壓比高，高壓下工作不會擊穿，電磁干擾小，正好克服了線繞變壓器的缺點，并具有轉換效率高、體積小、重量輕、輸出波形好等優點，非常適合驅動CCFL，近年來在LCD背光電源中獲得了廣泛的應用。
壓電背光電源也是一種DC/AC轉換模塊，例如它將輸入的直流電（如12V，300mA）經過變換、升壓，輸出一定頻率的交流高壓（70kHz,600Vrms,5.0mArms）來驅動CCFL工作。其原理如圖6所示。
近年來，國內外多家公司推出多種采用壓電變壓器的背光電源，輸出功率從0.5W到5W，輸入電壓為3VDC～18VDC，應用在3″～15″LCD模塊中，產品包括數碼相機、PDA、筆記本電腦等。
圖7為某公司的背光電源，輸入電壓為3VDC～6VDC，輸出功率3.5W,實際尺寸為32.0mm×24.0mm×4.9mm，重量為7.3g。隨著TFT-LCD的進一步普及，采用壓電變壓器的背光電源會越來越受到電子廠商的重視。
7小結
多層壓電變壓器作為一種新型的變壓器，目前主要用于TFT-LCD背光電源，實際上它可以用在許多DC/AC轉換電路中，尤其需要小型高壓電源的地方，充分發揮其體積小、電磁干擾小等優點，如探測儀器、儀表。美國、前蘇聯曾對壓電變壓器在軍事領域的應用作過深入的研究，國內也有這方面的研究成果。多層壓電變壓器與傳統變壓器相比，一方面成本高、批量生產一致性差，制造工藝有待進一步完善；另一方面在應用技術上，各個廠家的多層壓電變壓器差異很大，不能互換，控制回路結構、工作原理也不相同；壓電變壓器的工作機理、特性不為大家所熟悉，這些都妨礙了多層壓電變壓器的進一步推廣應用。近年來，日本多家公司如Tamura、NEC、日立金屬等在壓電背光電源方面都有成熟的批量化產品，技術水平較高，使大家對多層壓電變壓器應用前景有了新的認識，國內的公司、科研機構也紛紛在該領域開展研究與開發，積極推進產業化。
綜上所述，雖然壓電變壓器有幾十年的發展歷史，只是近幾年才較大規模的投入使用。近年來，我國大陸和臺灣省的多家公司也在多層壓電變壓器領域進行相關的研究與產業化工作，雖然起步較晚，但技術水平已接近國際水平，目前壓電變壓器尤其是多層壓電變壓器已成為各大元器件廠商關注的熱點，必將推動壓電變壓器制造技術與應用技術更快的發展，使壓電變壓器最終成為一種廣泛使用的標準器件。
壓電陶瓷變壓器最早于1956年由美國人C.A.Rosen提出，他根據壓電理論及壓電方程對壓電變壓器的基本工作原理進行了闡述，并制成單層壓電陶瓷變壓器；之后數年，人們對壓電變壓器理論及其應用進行了廣泛的研究，得到一些實際應用，但因特性欠佳，制造工藝不完善，成本較高等，未獲得廣泛的應用。因此，20世紀60年代到70年代初可以看成壓電變壓器發展的初級階段，僅限于單層壓電陶瓷變壓器。
1980年，中國科學家首先提出采用多層技術制造壓電陶瓷變壓器，并且制作出第一支多層壓電陶瓷變壓器，可簡稱MPT（MultilayerPiezoelectricTransformer）。由于多層壓電變壓器具有獨特的優點，更適合實際應用，因而引起各國科研人員的廣泛關注。隨著電子陶瓷元器件制造技術的發展，尤其是多層陶瓷器件工藝技術的出現和日趨成熟，進入20世紀90年代，電子產品要求小型化、薄型化、高效化，多層壓電變壓器用于液晶顯示器背光電源剛好滿足了這些要求，并克服了傳統電磁變壓器的一些缺點，因此，以日本NEC，TDK，村田，日立金屬等公司為代表的電子元器件廠家在該領域開展了大量研究，20世紀90年代末將壓電變壓器大量用于液晶顯示器背光電源，標志著壓電變壓器制造技術及產業化已經成熟。從20世紀80年代到90年代單層壓電變壓器技術進一步成熟，在一些小型高壓電源中得到實際應用，如負離子發生器、臭氧發生器、靜電噴涂等。
在我國，以清華大學材料系為代表的科研院所在20世紀70年代開始壓電變壓器的研究與開發，在壓電變壓器材料、結構、理論及制造工藝上取得一定的成果。清華大學材料系作為在國際上最早從事多層壓電變壓器研究開發的機構，積極推動了我國多層壓電陶瓷變壓器的產業化進程。
2壓電變壓器的分類及制造工藝
壓電變壓器一般采用鋯鈦酸鉛（PZT）系壓電陶瓷材料經過燒結、極化等工藝制造而成。有工作在超音頻的升壓壓電變壓器，也有工作頻率為工頻的降壓壓電變壓器。與傳統的鐵芯線繞電磁變壓器相比，它具有體積小、使用時不擊穿、耐高溫、不燃燒、電磁干擾很小，且結構簡單，易批量生產等優點。和一般的電磁變壓器一樣，壓電變壓器也具有電壓變換、阻抗變換和電流變換等功能。
用于液晶顯示器背光電源輸出功率為4W左右的電磁變壓器與多層壓電變壓器（含外殼）體積比較,舅圖1A所示，外形尺寸為35.2mm×7.8mm×3.1mm,功率為4W，工作頻率～55kHz,升壓比33，轉換效率93％。
多層壓電陶瓷變壓器，由于各個廠家的產品在內部結構、內外電極形狀上有較大的差異，有的結構具有專利權，因而產品外觀也有區別。圖2為不含外殼的多層壓電變壓器。
壓電變壓器的結構可分為單層壓電變壓器和多層壓電變壓器。按用途可分為升壓型變壓器和降壓型變壓器。升壓與降壓變壓器均可采用單層或多層結構，一般來說，多層結構具有較大的變比與較高的能量傳輸密度。單層壓電變壓器采用傳統的干壓成型工藝，主要工藝過程為：
陶瓷粉體→干壓成型→高溫燒結→電極→極化→性能測試
多層壓電變壓器一般采用與多層陶瓷電容器（MLCC）相類似的制造工藝，但由于單個元件比MLCC大得多，兩者的制造工藝仍有較大的差異，多層壓電變壓器主要工藝過程如下：
陶瓷粉體→流延→內電極印刷→疊層→切塊→高溫燒結→外電極→極化→性能測試
3多層壓電變壓器的工作原理
壓電變壓器也是一種壓電換能器，它利用壓電陶瓷的機電能量轉換機理，一般的壓電換能器只將電能與機械能（超聲波）作單向轉換，即電能→機械能或機械能→電能。壓電變壓器先將輸入的電能轉換為機械能，再將機械能轉換為電能，以Rosen型升壓變壓器為例，
電能————→機械能————→電能
在輸入端施加一定頻率的低壓，由逆壓電效應在變壓器內部首先將電能轉換為機械能——縱駐波傳播，變壓器輸出端再將機械能轉換為電能，產生一定頻率的高壓，從而實現升壓過程，如圖3所示。
單層壓電變壓器的工作原理也可用上圖表示,只是輸入端(初級)為單層。VIN上施加的交流電壓在輸入端沿厚度方向引起陶瓷體的收縮與拉伸應變，這種應變沿長度方向傳遞到輸出端。1/4處與3/4處的支撐點是某諧振頻率下的駐波的節點，壓電變壓器內部電極構造、長度、材料聲速V決定了壓電變壓器可能有多個諧振頻率fn，常用的頻率有λ/2，λ，3λ/2。
fn=n(V/2×長度)
材料的綜合系數g[ω]、輸入端的層數、單層厚度、變壓器的總長度影響升壓比R，它們之間有如下的關系：
R=(長度×層數/單層厚度)×g[ω]
4壓電變壓器的等效電路
由壓電變壓器的工作機理可以看出，壓電變壓器工作過程涉及電學、聲學、壓電學、固體物理學等諸多領域，因此很難用一個簡化模型來解釋它的工作特性，為了研究壓電變壓器在電路中的特性，人們提出了許多壓電變壓器的電路模型，圖4示出一種常見的簡化模型。
模型中的參數值與多層壓電變壓器的結構緊密相關，由多層電極結構和材料介電常數決定了輸入端電容CINPUT較大，一般為幾十nF到幾百nF；輸出端電容COUTPUT因電極距離較大一般為幾十pF。單層壓電變壓器的輸入電容為幾個nF。輸入、輸出電容可用下式來計算：
CINPUT=長度×寬度×層數×/（2×單層厚度）
COUTPUT=2×厚度×寬度×/長度
壓電變壓器自身的機械諧振頻率（ω0）與實際電路中的RLC諧振不同，它與陶瓷材料的彈性模量（Y）、密度（ρ）、長度（Length）有一定的比例關系，即這種機械諧振可以用上圖的RLC串聯電路來描述。這樣，壓電變壓器的有關特性就可借助電路來分析。,Q=ω0×L/R一種有12層，工作頻率達70kHz的多層壓電變壓器，按照上述模型，輸入電容CINPUT=200nF；輸出電容COUT=30pF；n=30；串聯RLC為2Ω，1μH，6nF。
5多層壓電變壓器的諧振工作特性
從以上的工作原理及等效電路可以推論，壓電變壓器工作時首先必須在諧振狀態即外電路驅動與壓電變壓器自身產生諧振，這樣壓電變壓器才能較好的工作，壓電變壓器的許多特性都與諧振密切相關，如輸出電壓、升壓比、轉換效率、輸出輸入阻抗、輸出功率等。多層壓電變壓器工作時使用的頻率范圍較窄，一般為2kHz左右，這也是壓電變壓器與鐵芯線繞電磁變壓器的最大區別。圖5表示只改變輸入信號頻率、其他條件不變時輸出電壓與頻率的關系，可以看出壓電變壓器具有明顯的諧振工作特性。
一般分析壓電變壓器的工作特性，都是在諧振工作狀態。多層壓電變壓器的升壓比（負載100kΩ）為30～100，空載升壓比更高；輸入阻抗較低（最低可達0.5Ω），輸出阻抗較高,因此比較適合在LCD背光電源中驅動冷陰極熒光燈管；文獻報道，多層壓電變壓器的轉換效率最高可達97％，普遍認為負載合適時工作效率大于90％；目前，由于制造工藝等原因，多層壓電變壓器的輸出功率僅限于0.5W～8W，折算功率密度為～1W/g。
多層壓電變壓器的諧振工作頻率范圍較窄，而且頻率隨著電路中的負載特性、參數、變壓器自身工作產生的溫升等條件，需要作較大的調整，壓電變壓器才能很好地工作。因此，在實際電路中，需要對電路工作頻率作自動調節，目前，國內外壓電變壓器背光電源都采用頻率自動調節技術，并與其他控制器件集成在一個專用IC里，從而使壓電變壓器背光電源的性能更加穩定、可靠，利于規模化生產。
6多層壓電變壓器的主要應用
液晶顯示器顯示圖像時需要均勻的背光，背光由一支或多支冷陰極熒光燈管（CCFL）發光來提供。傳統背光電源采用小型線繞式變壓器產生高壓來驅動CCFL，由于體積限制，存在高壓工作時產生擊穿、打火、甚至燃燒現象，伴隨較大的電磁干擾，給實際應用帶來一些問題。多層壓電變壓器的升壓比高，高壓下工作不會擊穿，電磁干擾小，正好克服了線繞變壓器的缺點，并具有轉換效率高、體積小、重量輕、輸出波形好等優點，非常適合驅動CCFL，近年來在LCD背光電源中獲得了廣泛的應用。
壓電背光電源也是一種DC/AC轉換模塊，例如它將輸入的直流電（如12V，300mA）經過變換、升壓，輸出一定頻率的交流高壓（70kHz,600Vrms,5.0mArms）來驅動CCFL工作。其原理如圖6所示。
近年來，國內外多家公司推出多種采用壓電變壓器的背光電源，輸出功率從0.5W到5W，輸入電壓為3VDC～18VDC，應用在3″～15″LCD模塊中，產品包括數碼相機、PDA、筆記本電腦等。
圖7為某公司的背光電源，輸入電壓為3VDC～6VDC，輸出功率3.5W,實際尺寸為32.0mm×24.0mm×4.9mm，重量為7.3g。隨著TFT-LCD的進一步普及，采用壓電變壓器的背光電源會越來越受到電子廠商的重視。
7小結
多層壓電變壓器作為一種新型的變壓器，目前主要用于TFT-LCD背光電源，實際上它可以用在許多DC/AC轉換電路中，尤其需要小型高壓電源的地方，充分發揮其體積小、電磁干擾小等優點，如探測儀器、儀表。美國、前蘇聯曾對壓電變壓器在軍事領域的應用作過深入的研究，國內也有這方面的研究成果。多層壓電變壓器與傳統變壓器相比，一方面成本高、批量生產一致性差，制造工藝有待進一步完善；另一方面在應用技術上，各個廠家的多層壓電變壓器差異很大，不能互換，控制回路結構、工作原理也不相同；壓電變壓器的工作機理、特性不為大家所熟悉，這些都妨礙了多層壓電變壓器的進一步推廣應用。近年來，日本多家公司如Tamura、NEC、日立金屬等在壓電背光電源方面都有成熟的批量化產品，技術水平較高，使大家對多層壓電變壓器應用前景有了新的認識，國內的公司、科研機構也紛紛在該領域開展研究與開發，積極推進產業化。
綜上所述，雖然壓電變壓器有幾十年的發展歷史，只是近幾年才較大規模的投入使用。近年來，我國大陸和臺灣省的多家公司也在多層壓電變壓器領域進行相關的研究與產業化工作，雖然起步較晚，但技術水平已接近國際水平，目前壓電變壓器尤其是多層壓電變壓器已成為各大元器件廠商關注的熱點，必將推動壓電變壓器制造技術與應用技術更快的發展，使壓電變壓器最終成為一種廣泛使用的標準器件。
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