生產與應用徑向多層壓電陶瓷變壓器的性能分析金光浪，潘玉安，范躍農，曹良足，胡鴻豪（景德鎮陶瓷學院，景德鎮333001）并詳細分析了它的效率、共振頻率、輸出功率、電壓變比等性能。
前言壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成，最早于1956年由美國人C.A.Rosen提出，并研制出第一個單層壓電陶瓷變壓器，但限于當時的科技水平，產品實用性極差。由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無電磁干擾、不易燃、安全穩定等優點，許多知名電子元器件廠家一直在該領域開展了大量研究。隨著現代電子技術的飛速發展、制造工藝水平的極大提高，產品日益成熟，特別是近十年，電子產品小型化、薄型化、高效化的要求對它的需求越來越大，目前比較成熟的產品是Rosen型和厚度振動型，前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應用，后者在高頻開關電源中應用較廣。
近來對橫向振動型壓電變壓器的研究取得了很大進展，其中最典型的是徑向振動型壓電陶瓷變壓器，本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路，并分析了其性能。
工作原理壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場作用下內部電疇與外加電場取向一致；所謂壓電特性是指在一個極化好的壓電陶瓷材料上施加一個壓力，則有自由電荷流入外接電路，這種現象稱為壓電效應；反之稱為逆壓電效應。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應與壓電效應結合起來，其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機械簡諧振動狀態，再由輸出端電極利用正壓電效應將簡諧振動的機械能換成同頻率的電能，從而完成電能一機械能一電能的能量傳遞過程。一般情況下要求輸入電壓頻率應與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣瓷片會產生機械共振現象，從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結構如所示：整個壓電變壓器可以分成兩部分：下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應變，作為輸入端，稱為驅動部分；上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應變，作為輸出端，稱為感應部分。當正弦交變電壓加到輸入端時，壓電變壓器產生沿徑向振動；而感應部分通過正壓電效應，產生電壓輸出。（b）是一多層變壓器結構（n1=3，n2=1）的結構示意圖。
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結構性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時，利用如所示的等效電路，其中：R為壓電瓷片振動阻尼等效電阻；L為壓電瓷片質量（慣性）等效電感；C為壓電瓷片彈性系數等效電容；Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個樣本，其參數分別為：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以該樣本參數為例對多層徑向壓電變壓器性能進行分析，并用MATLAB繪制各自的特性曲線。
3.1變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當輸出端接上一個負載電阻時，如所示，變壓器效率，共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關心的，我們采用將輸出端的負載與電容折算到輸人部分的辦法來進行分析，如3⑴）所示，再將并聯阻抗轉換為串聯m抗，如（c）所示。輸人法中：容易證明：蒞給定負載不變的情況下，當M―0，則n―1；當W―'則n―0；當R，=1/mCm時，有<1 h2WwRCmh效率與負載間的特性曲線如（b）所示。效率，頻率、負載三者之間的關系如（c）所示。
3.2共振頻率（b）的等效電路可知，當Rl-0時的共振頻率為f=l/1）為共振頻率，可以證明：iRs=R時（此時的尺！！對應了兩個值），輸出功率最大，Pmax=1/（4R）；當dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）時，輸出功率出現極小+RL）2；歸一化輸出功率與負載的m特性曲線如所示。
3.4電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比，即Au=Uut/Uin，根據（b）的等效電路可知，在壓電陶瓷變壓器發生共振的情況下，電壓變比由下式決定時，電壓變比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲線如所示。
結束語根據以上分析可知，多層徑向振動壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點，而且它的共振頻率更純，不像其它類型的壓電變壓器受各方向機械振動尺寸的不均勻影響而有雜波，加上它的體積更小，更薄、重量更輕、無電磁干擾、不易燃、安全穩定等優點，因此有望在低頻或工頻領域獲得廣泛應用，但是徑向振動型壓電變壓器的電壓變比不及Rosen型，因此較難以應用到高壓領域。
：余翰林
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