壓電陶瓷變壓器在開關電源的應用分析

從圖2(a)可知，壓電陶瓷變壓器是一個諧振體，圖2(b)表示當激勵信號的頻率與變壓器的諧振頻率一致時，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖l可知，此時延長度方向振幅最大，壓電變化才最有效。因此需要施加在壓電陶瓷變壓器的激勵信號頻率與變壓器諧振頻率保持一致。
把壓電變壓器等效成一個線性網絡，施加方波信號在壓電陶瓷變壓器上，從式(3)可知，在壓電陶瓷變壓器上的響應為方波信號的各次諧波的響應疊加。若方波信號基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對壓電變化的有效性沒有積極作用，即這部分電能并沒加強延長度方向的振幅。因此從電能利用率最大化角度考慮，施加在壓電陶瓷變壓器的激勵信號需要正弦信號。
1．3 壓電陶瓷變壓器的特點
由1．1、1．2小節(jié)可知，壓電陶瓷變壓器的結構和原理是全新的概念，與傳統電磁變壓器相比，其特點如下：
(1)能實現體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。
(2)安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁芯和繞組，不存在磁飽和問題，不會因負載短路而燒毀。
(3)功率轉換效率一般可達95％，最高可達98％。
(4)能量傳輸是以高頻振動的壓電方式實現的，不會產生電磁干擾(EMI)，也不會受到外界的電磁干擾。
(5)不產生反峰電壓，輸出標準正弦波電壓。
(6)壓電陶瓷變壓器輸出功率較小，目前成熟產品功率在10 W以內，但已研究出20 W的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器。
(7)開關電源采用壓電陶瓷變壓器，其電路必須與陶瓷變壓器的參數相配合才能有效工作，因此可調性差，電路設計也較復雜。
(8)壓電陶瓷變壓器的工作性能要受其安裝工藝影響。

2 基于壓電陶瓷變壓器開關電源電路設計
2．1 主電路設計
在選用傳統電磁變壓器的開關電源電路設計中，通常是根據其傳輸的功率、電源輸入特點、輸出特點，是否要求輸入輸出隔離等要求來選擇工作電路的拓撲結構，再根據選用的電路結構，輸出功率等要求設計電磁變壓器，確定磁芯、繞組組數、線圈線徑和匝數等各項參數。因此在設計電路參數時，基本沒把電磁變壓器參數考慮進去，只是在電源電路確定后才考慮變壓器設計。根據1．2節(jié)壓電陶瓷變壓器等效電路的分析，壓電變壓器電源的電路設計需要把壓電陶瓷變壓器作為影響電路是否正常工作的一個重要因素，即在電路結構選擇，電路參數確定，控制方式等方面，都需要考慮壓電陶瓷變壓器的作用。
根據上述分析，壓電陶瓷變壓器的激勵信號頻率和負載對壓電陶瓷變壓器的轉換效率影響很大，通?；陔妷禾沾勺儔浩鞯拈_關電源主電路結構框圖如圖3所示。

根據壓電變壓器的等效電路圖2可知，當壓電變壓器處于諧振狀態(tài)時，從輸入端看進去，相當于一個容性負載。因此需要一個輸入匹配電路來減小流入壓電陶瓷變壓器的電流，或者說來補償容性阻抗。輸入匹配電路的設計主要由壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗和開關變換電路的輸出阻抗決定。
基于壓電陶瓷變壓器開關電源的主電路結構與傳統電磁開關電源的主電路結構一樣，仍然有回掃逆變電路、推挽逆變電路、全橋逆變電路，半橋逆變電路幾種拓撲結構。通過前面分析可知，壓電陶瓷變壓器需要施加正弦激勵信號。如圖4所示，回掃逆變電路仍需要電磁變壓器來實現正弦信號生成。

推挽逆變電路需要大電感來完成充電和放電，對采用壓陶瓷變壓器使小型化電源的優(yōu)勢不再存在。