压电陶瓷变压器及其应用

图1所示的压电变压器的长度远大于厚度，输入阻抗远小于输出阻抗，可以用来实现升压目的。这种变压器在空载和谐振状态下的最大升压比为：

（1）
　　式中：Vout和Vin分别为输出电压和输入电压；Qm为材料的机械品质因素；K31和K33分别为材料的横向和纵向机电耦合系数；L为驱动部分长度；t为陶瓷片厚度。
变压器的最大效率为：

(2)如果将图1中的发电部分作为压电变压器的驱动部分，而将驱动部分作为压电变压器的发电部分（如图2所示），于是发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出端的电压降低，电流增大，便成为一种降压型压电陶瓷变压器。由于压电陶瓷降压变压器的输出阻抗比较大，很难小于100Ω，因此输出电流比较小。

图3所示是日本NEC公司利用K1振动模式的压电陶瓷降压变压器示意图，图4所示为采用径向振动模式的自耦式压电陶瓷降压变压器的结构示图。

单片压电陶瓷变压器比较小，功率也比较低。在上一个世纪90年代，人们将制备多层片式陶瓷电容器（MLCC）的工艺移植到压电陶瓷变压器的制作中，于是制成了多层片式压电陶瓷变压器，其结构如图5所示。这种N层结构的压电变压器，每层的极化方向相反，各电极采用叉指方式交替地连接。通过调整陶瓷层数可以有效地改变变压器的输入阻抗和输出阻抗，从而改变变压比。图6所示为驱动和发电部分分别采用多层陶瓷和内电极结构的升压和降压变压器示图。

2、压电陶瓷变压器的特点

压电陶瓷变压器的结构和原理与传统电磁变压器截然不同，其特点如下：

（1）体积小、重量轻、超薄型，最适宜片式化。

（2）安全性好，可靠性高。它采用不燃烧的压电陶瓷制成，没有磁心和线组线圈，没有磁饱和问题，不会因负载短路而烧毁，也不怕潮湿。

（3）功率转换效率高，一般可达95%，最高可达98%。

（4）能量传输是以高频振动的压电方式实现的，不会产生电磁干扰（EMI），也不会受到外界的电磁干扰。

（5）不产生反峰电压，输出标准正弦波电压。

尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点，但也存在一些不足，例如：

a．压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W（如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上，谐振频率为140KHz，在20W时的转换效率为97%）乃至30~40W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。