压电陶瓷变压器在开关电源的应用分析

从图2(a)可知，压电陶瓷变压器是一个谐振体，图2(b)表示当激励信号的频率与变压器的谐振频率一致时，压电变压器处于谐振状态，从图l可知，此时延长度方向振幅最大，压电变化才最有效。因此需要施加在压电陶瓷变压器的激励信号频率与变压器谐振频率保持一致。
把压电变压器等效成一个线性网络，施加方波信号在压电陶瓷变压器上，从式(3)可知，在压电陶瓷变压器上的响应为方波信号的各次谐波的响应叠加。若方波信号基波频率为压电陶瓷变压器的谐振频率，那么方波中的高次谐波作用时，压电陶瓷变压器处于非谐振状态，对压电变化的有效性没有积极作用，即这部分电能并没加强延长度方向的振幅。因此从电能利用率最大化角度考虑，施加在压电陶瓷变压器的激励信号需要正弦信号。
1．3 压电陶瓷变压器的特点
由1．1、1．2小节可知，压电陶瓷变压器的结构和原理是全新的概念，与传统电磁变压器相比，其特点如下：
(1)能实现体积小、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，没有磁芯和绕组，不存在磁饱和问题，不会因负载短路而烧毁。
(3)功率转换效率一般可达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。
(6)压电陶瓷变压器输出功率较小，目前成熟产品功率在10 W以内，但已研究出20 W的降压型多层片式压电陶瓷变压器。
(7)开关电源采用压电陶瓷变压器，其电路必须与陶瓷变压器的参数相配合才能有效工作，因此可调性差，电路设计也较复杂。
(8)压电陶瓷变压器的工作性能要受其安装工艺影响。

2 基于压电陶瓷变压器开关电源电路设计
2．1 主电路设计
在选用传统电磁变压器的开关电源电路设计中，通常是根据其传输的功率、电源输入特点、输出特点，是否要求输入输出隔离等要求来选择工作电路的拓扑结构，再根据选用的电路结构，输出功率等要求设计电磁变压器，确定磁芯、绕组组数、线圈线径和匝数等各项参数。因此在设计电路参数时，基本没把电磁变压器参数考虑进去，只是在电源电路确定后才考虑变压器设计。根据1．2节压电陶瓷变压器等效电路的分析，压电变压器电源的电路设计需要把压电陶瓷变压器作为影响电路是否正常工作的一个重要因素，即在电路结构选择，电路参数确定，控制方式等方面，都需要考虑压电陶瓷变压器的作用。
根据上述分析，压电陶瓷变压器的激励信号频率和负载对压电陶瓷变压器的转换效率影响很大，通常基于电压陶瓷变压器的开关电源主电路结构框图如图3所示。

根据压电变压器的等效电路图2可知，当压电变压器处于谐振状态时，从输入端看进去，相当于一个容性负载。因此需要一个输入匹配电路来减小流入压电陶瓷变压器的电流，或者说来补偿容性阻抗。输入匹配电路的设计主要由压电陶瓷变压器的输入阻抗和开关变换电路的输出阻抗决定。
基于压电陶瓷变压器开关电源的主电路结构与传统电磁开关电源的主电路结构一样，仍然有回扫逆变电路、推挽逆变电路、全桥逆变电路，半桥逆变电路几种拓扑结构。通过前面分析可知，压电陶瓷变压器需要施加正弦激励信号。如图4所示，回扫逆变电路仍需要电磁变压器来实现正弦信号生成。

推挽逆变电路需要大电感来完成充电和放电，对采用压陶瓷变压器使小型化电源的优势不再存在。