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摘 要

随着开关电源 应用层面 的进一 步扩大 ，电子设备对开关电源提出了越来越高的要 求 ，如无电磁干扰 、辐射少、高能量密度 、高稳定性、安全性 高、尺寸小等特 点，但 是传统的电磁变压 器是利用磁芯和一定 匝数的线 圈产生 电磁感应现象来工作的，无法 从根本上消除 自身所产生的电磁干扰 问题 ，设计人员往往 要花费很多精力与时间来解 决电磁变压器式开关电源所带来的电磁干扰和电磁兼容问题。

与传统的电磁 变压器相 比，压 电陶瓷变压器属于一种新型 的电子变压器 ，具有无 电磁干扰，也不受电磁干扰、能量转换效率高、功率密度大、耐辐射、耐高温、无噪 声、可靠性高、结构简单、不怕短路烧毁 、电源安全性高、体积小、重量轻等特 点，

基于压电陶瓷变压器的新型直流开关电源是一种新型开关电源。本文结合压电陶瓷变 压器的特点，直接应用压 电陶瓷变压器研制新型直流开关电源 ，主要 内容包括 ：电磁 干扰 滤波器 、电源 供电电路、高频脉冲发生器、功率驱动 电路 、压电陶瓷变压器及其 输入输出匹配电路 、输 出网络等部分。其中电源系统采用高压高速 自振荡 ＭＯｓ栅极 半桥驱动集成电路 ＩＲ２１５５作为 １３２ｋＨｚ高频脉冲信号发生器，并驱动功率开关管 ＩＲＦ８４０共同组成 ＤＣ－ＡＣ逆变器 ，所产生的高频高压交流信 号激励压电陶瓷变 压器及 其输 入输出匹配 网络在谐振频率附近工作 ，再经 输出网络从而获得直流 电压输 出。通 过对压 电陶瓷变压器输 入端和 输出端性 能参 数的测试初步建立 了所选 用压电陶 瓷变 压器的等效电学模型，并据此设计出了压电陶瓷变压器输入端和输出端的匹配网络及 其参数。利用示波器 Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　ＴＤＳ　３０３４Ｂ对电路系统分别在直流、低频抑制、高频 抑制和 噪声过滤环境下进行测试，获得各节点 电压波形并加 以分析。

实验结果表 明，在 对压 电陶瓷变压器 的输入和输 出电压信号进行测量时 ，即使输 入的高频高压交流信号发生一定幅度的波动，在其输出端也能获得相同频率的标准正 弦电压信号输 出。电源系统的输 出直流 电压 均方根能达到 ３５．２５７Ｖ，但 是其输 出电流 很小。同时对输出的直流电压还进行了稳定性测试、不同负载下的电压测试等，分别 记录 了测试过程 中各参数的波形数据并进行分析处理。

关键词 ：压 电陶瓷变压器 谐振 频率 开关 电源

Ｓ ｔ ｕ ｄｙ　 ｏ ｎ　 ａ　 Ｎｅ ｗ　 Ｔ ｙｐｅ　 ｏ ｆ　 Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ　 Ｐｏ ｗｅ ｒ　 Ｓ ｕｐｐ ｌ ｙ　 Ｂａ ｓ ｅ ｄ　 ｏ ｎ　 Ｐｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ

Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ

　　　　　　 Ｍａ　Ｘｉａｎｍｉｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４２，　Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｆｉｅｌｄｓ．　Ａｎｄ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｎｅｅｄ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｌｏｗ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，　ｌｏｗ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ，　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ，　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，　ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ，　ｓｍａｌｌ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎ　ｓｉｚｅ，　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．　Ｂｕｔ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｉｌ；　ｉｔ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｔｏ ｗｏｒｋ．　Ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｔｈａｔ　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｎｄｕｃｅｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｓ　ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ妙 ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅａｓｉｌｙ．　Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ａｖｏｉｄ　ａｎｄ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｒａｄｉｃａｌｌｙ．　Ｐｅｏｐｌｅ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｃｏｓｔ　ｍｕｃｈ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．

Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｂｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，　ｈｉｇｈ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，　ｂｉｇ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ，　ｌｏｗ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ，　ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，　ｎｏ　ｎｏｉｓｅ，　ｈｉｇｈ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ， ｈｉｇｈ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ，　ｓｍａｌｌ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎ　ｓｉｚｅ，　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．　Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．　Ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｂｏｕｔ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．　Ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｉｌｔｅｒ，　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ， ｐｏｗｅｒ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｐｕｔ－　ｏｕｔｐｕｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｏｕｔｐｕｔ　ｎｅｔｗｏｒｋ，　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．　Ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔａｋｅｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ　ｓｅｌｆ－ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ＭＯＳＦＥＴ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ＩＲ２１５５　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　１３２ｋＨｚ　ｈｉｇｈ ｆ

ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ＭＯＳＦＥＴ　ＩＲＦ８４０．　Ｔｈｅ　ＤＣ－ＡＣ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ＩＲ２１５５ ａｎｄ　ＩＲＦ８４０．　Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｂｙ ＤＣ－ＡＣ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｓ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｐｕｔ－ｏｕｔｐｕｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｔ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．　Ｔｈｅｎ，　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｖｉａ　ｏｕｔｐｕｔ

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华南农业大学 学位论文原创性说明

本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导 下独立进行研究工作

所取得 的成果 。除文中已经注 明引用内容外，本论文不包括任何其他个人或集体 己经 发表或撰写过 的作 品。对本文 的研 究作 出重要贡献 的个人和集体 ，均 已在文 中标 明。

本人完全意识到本声 明的法律结果 由木人承担 。

学位论文作者签名： 马先明 日期，２ ０ ０ ７ 年‘ 月了日

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本人签名： 马先。 日期： ： Ｚ ． ａ ｌ ｊ　 ６ 月７ ８

导师签 名 ：

日期： 少刃、 ‘

前言

１ ． １压电陶瓷材料

１．１．１特性简介 　　　　

压 电晶体在外力作用下发生形变时，正 、负 电荷 中心发生相对位移 ，在 某些相对 应的面上产生异号电荷，出现极化强度，这种没有电场作用，由形变产生极化的现象 称为正压 电效应 ，晶体 的这种性质称为压 电性 。

压 电效应分为正压 电效应与逆压电效应 ，现 在以某种晶体为模型 ，说明产 生正压 电效应 的物理机理过程 。

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图 １．１ 图 １２ ^{图 １．３}

当不施加压力 时，晶体的正 、负电荷中心如 图 １．１分布，这时正、负电荷中心重 合，整个晶体的总电偶极矩等于零，晶体表面对外呈中性，即不呈压电性。

当沿Ｘ方向施加压力Ｓ Ｆ ｒ 时，晶体发生形变，正、负电荷中心分离，即电偶极矩

发生变化，从而在 Ｘ面上出现电荷积累，如图 １．２所示．

当沿Ｙ轴方向施加压力研 时，晶体发生形变，正、负电荷中心的分布如图１ ． ３

所 示，这 时总的电偶极距发生变化并在 Ｘ 面上 引起 与前面相反符号的 电荷积累。显

然，若用伸拉力代替压力Ｓ Ｆ和Ｓ Ｆ， ，也可得到相同的效果，只是积累电荷的符号相

反 （刘奇元等，２００４）０总之，对具有压电性的晶体施加压力时会发生强弱程度不同 的压 电效应 。

当给 晶体施加一 电场时，不仅 发生 极化现象 ，同时还会产生形变，这种由电场产 生形变的现象称为逆压电效应。这是由于晶体在受电场作用时，在晶体内部产生了压 电应 力，通过压 电应力 的作用产 生压电应变 ．

压电陶瓷是一种具有 正压电效应、逆压电效应的多晶体，由于它的生产工艺包含

原料粉碎、成膜、成型、高温烧结、后处理等环节，基本上与普通陶瓷的生产工艺相 同，故而得名。压电陶瓷的压电性可由晶体的压电性来解释。

１．１．２ 国内外压电陶瓷材料的应 用 　　　　

压电陶瓷的压电特性以及由此引起的机电性能使压电陶瓷材料得到了广泛的应 用。压电陶瓷材料的应用目前涉及到日常生活、工业生产、仪器仪表、航空航天等各 个领域。一般可将这些应用分成两大类，即压电效应应用和逆压电效应应用。

利用压电陶瓷材料压电效应的应用有机电换能器，这是一种将机械力转换为电火 花而点燃燃烧物的压电陶瓷高压点火器装置，用来点燃气体如燃气灶、打火机等，还 可以用来引燃引爆各类炸药、导弹等等；还可以利用压电陶瓷材料的压电效应制作各 种压敏传感器 。

利用压 电陶瓷材料逆压 电效应的应用有在计量测 量仪器上使用 的压 电振动加 速 器和把 电能转换为弹性体的超声波振动，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的回转 或直线运动的超声波电动机；利用压电陶瓷材料的换能性质，即逆压电效应研制的在

电声设备上有广泛应用压电陶瓷拾音器、扬声器 、送 话器 、受话器、声表面波滤波器

（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ），谐振器、选频器、延迟线、滤波器等；利用压电陶瓷 的逆压电效应制成的小型压电陶瓷风扇，具有体积小，不发热，无噪声、低功耗、寿 命长等优点。

而压电陶瓷变压器则是同时利用了压电陶瓷材料的逆压电效应与压电效应研制 的一种 新型电子变压器 。

１ ． ２压电陶瓷变压器

１．２．１简介 　　　　

进入二十世纪八十年代，随着超大规模集成电路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）以及片上系统

集成技术的逐渐成熟， 印制电路板表面贴装片型化电子元件（ （ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ　 Ｍｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ｄ　 Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ）

应运而生，片式电阻、片式电容、片式电感获得了飞速发展，整机装配密度不断增大，

间距由 １英寸（２５．４ｍｍ）发展为 ０．５英寸（１２．７ｍｍ），再发展为 ０．２５英寸（６．５ｍｍ），为计 算机、移动通讯 、电子产 品创造 了前所未有 的发展机遇。与此同时，整机厂商对电子 变压器提出了微型化、薄型化、小型化、高频低损耗、能够表面贴装的要求 （胡晓冰 等，２００２）。而传统的电磁绕线式变压器已经不能适应小型化与片式安装的模式．随 着新材料技术和新结构技术的发展与应用，压电陶瓷变压器为实现这一要求提供了实

际的可能。

压电陶瓷变压器是二十世纪五十年代才开始研制，并且在七十年代发展起来的一 种新型固体电子变压器。压电陶瓷变压器最早是在 １９５６年由美国ＧＥ．Ｍｏｔｏｒｏｌａ　Ｚｅｎｉｔｈ 的 Ｃ．Ａ．Ｒｏｓｅｎ等发明的 （黄以华等，２００２），但是，那时的压电陶瓷变压器主要以钦 酸钡 （ＢａＴｉ０３）为材料，其压电性能较低，升压比不高，转换效率低，输出电压在

、，．伏左右，离产品的商业化还有很大距离。而今，随着铭钦酸铅 （ＰｂＺｒＴｉ０３）等

高压电常数、高机电祸合系数 （ Ｋｐ ）和高机械品质因数 （ Ｑ ｍ ）的压电陶瓷材料出现，

压电陶瓷变压器的研制才取得了巨大的进展，目前己能生产空载升压比大于 ９５００，

输出功率大 于 １００Ｗ 的压 电陶 瓷变压器 （黄耀庭等，２００４：左孝杰等 ，１９９９）０ 　　　　

压 电陶瓷变压器是利用压 电陶瓷具有压 电效应这一 固有属性，采用 电能一机械能－

电能转换原理而工作的。从压电陶瓷变压器 的结构来看 ，电能和机械 能是在一维坐标 上进行转换的，因此从理论上讲 ，压 电陶瓷变压器可 以做得无 限小。而实际上，压 电 陶瓷变压器元件加上结构 强度、功率容量等设计因素，厚度 大概为 １．５ｍｍ至 ５ｍｍ，

这是传统铁芯绕 线式电子变压器基本无法达 到的尺 寸。从此意义上讲 ，有行业人士普 遍认为压 电陶瓷变压器将是第三代高频电子变压器 ，对 电子变压器将产生重大影响。

目前压 电陶 瓷变压器的研 发和应用主要集 中在美 国、日本、台湾和中国。

压 电陶瓷变压器的分类根据振动模态的不 同，可分为纵纵式、横纵式 、环状式等 等。最常用的普通横纵式 Ｒｏｓｅ型结构由左端驱动和右端发电两部分组成，如图 １．４ 所示，图 １．５为 Ｒｏｓｅ型压 电陶瓷变压器实物。

图 １．４　Ｒｏｓｅ型压 电陶瓷变压器 图 １．５　Ｒｏｓｅ型压电陶瓷变压器实物

按升压 比的不同，压 电陶瓷变压器分为升压 型压 电陶瓷变压器和降压型压 电陶瓷 变压器两大类 。虽然压电陶瓷变压器 己经得到 了较广泛的应用，但主要都是以升压型 的压电陶瓷变压器应用为主，而较少涉及降压型压电陶瓷变压器的应用。降压型的压 电陶瓷变压器在市面上还没有进行规模化销售 ，而升压型的压电陶瓷变压器凭借其不 太复杂 的制造工艺 已经能够进行量产和规模化销售。

近年来压电陶瓷变压器伴随着集成芯片工艺技术的发展，呈现由块状向着片状然 后向着薄膜化发展、由分立元件向着集成化方向发展的趋势，甚至有可能将压电陶瓷 变压器的控制电路、驱动电路、功率放大电路集成到一块芯片上。如何使压电陶瓷变 压器的设计与制作工艺同外围应用电路实现无缝连接己成为研发重点 （柴荔英等，

２００１）。

１．２．２压电陶瓷变压器与传统电磁变压器比较 　　　　

如今，传统电磁变压器的工作原理为电能一磁能一电能之间的相互转换机理，主要 是采用矽钢片、铁氧 体、漆包线 、塑料骨架 为原材料制成，产 品体 积大而笨重，转换 效率不高，其铁芯平面正交于线圈平面，构成立方体。即使在材料、结构、工艺上做 了大 量的改进 ，还是很 难在 某一几何尺度上大幅度地压缩尺寸 ，使 铁芯绕 线式 电磁变 压器在 小型化微型化过程中受到局 限。

压 电陶瓷变压器成为国 内外厂商的研发热点。与常规的电磁变压器相 比，压 电陶 瓷变压器节能降耗，改善电路性能，尺寸小，在高频范围能量密度大，升压比高，转 换效率高，输出波形好，耐高温，阻燃，使用时不会击穿，无铜耗及电磁噪声，结构 简单，不用磁芯，易批量生产，能节约有色金属 〔龙期超等，２００２）０

表 １．１压 电变压器与传统 电磁变压器性能比较 压 电变压器

　　 原理 　　 材料 　　 升压 比 转换效率

　　 厚度 电磁干扰 安全模式 可靠性

　　 寿 命

逆压 电效应 、正压电效应 　　　　

功能陶瓷材料 　　　　　　 几十到几百倍

　　　　　　　　 ９５％以上

　　　　　　 １．５ｍｍ－５ｍｍ

　　　　　　 低

开路、短路保护

　　　　　　 高

　　　　　　 １０年

电磁变 压器 　　 电磁 感应 线 圈、磁芯

　　 几十倍

６０％ ＾－８０

５ｍｍ 以上

　　　　　　 高

易短路、易燃烧

压电陶瓷变压器与传统的电磁变压器有着一些共同点，它们都是电子电路中的重 要元件，起着隔离、绝 缘、电能转换 、信号传输等重要作用 ，分别与电阻、电容 、电

感一起构成 电子 电路的基础元件。

随着压 电陶瓷变压 器这个产业的不断推进 ，应用 的不断推广，成本会迅速下 降，

产 品的稳 定性 、量产的优 良率都会进一步提高。

表 １．１为压 电陶瓷变压器与传统的 电磁变压器性能 比较结果。压 电陶瓷变压器 的 研制和应用之所 以得到了迅速的发展 ，这除了用于制造压 电陶瓷变压 器的新型高性 能 陶瓷材料不断出现外，还在于压电陶瓷变压器与传统的电磁变压器在性能上比较有较 大 的优势 ，大大消除了 目前普遍使用的 电磁变压器所带来的隐患和 不足。

１．２．３压 电陶瓷变压器的特点 　　　　

压 电陶瓷变 压器是一种新 型的功能陶瓷材料元器件 ，属于一种 固体机 电变换器 件，它的制造工艺有别于一般的电子元器件，结合压电陶瓷变压器 自身的结构特点，

它 的优点包括如下几个 方面：

（１）能量转换效率高，适合满载工作；

（２）升压比高、功率密度大、能量密度大；

（３）压电陶瓷变压器采用陶瓷材料制成，换能的过程由机械振动完成，因此电磁 场干扰小 ，甚至无电磁干 扰，也不受 电磁干扰 ；

（４）耐辐射、无噪声；

（５）运用谐振态、准谐振态开关电源技术，采用自控理论设计控制电路，可使压 电陶瓷变压器电源具有 高的调整率、较低的温漂和时漂，可靠性高；

（６）结构简单、体积小、厚度薄、重量轻、无绕组、易于批量生产；

（７）压电陶瓷变压器具有短路自动截止工作（自锁）的特性，使用时不会击穿，电 源安全性好 ，不怕短路烧 毁，安全性 高；

（８）在输入、输出之间加电压 ５０００ＶＡＣ／分钟下，泄漏电流为微安级，因此强大 的绝缘性能与耐高压性 能，可通过各 种安全标准；

（９）信号输出稳定，有利于提高电路整体性能；

（１０）环境适应性强，适合在潮湿、高温、盐雾、酸性、碱性、冲击、振动等各 种特殊及工业环境下正常 工作；

（１１）免用铜铁材料，节省金属材料；

（１２）不易燃烧、耐高温、不会霉变、寿命长；

（１３）实现了电子变压器的片型化技术，特别适应电子电路向集成化、片状化、

薄型化发展的趋势 。

当然，压电陶瓷变压器在使用的过程 中也有一些不足之处，如：

（ Ｉ ）压电陶瓷变压器在进行机电能量的二次转换和阻抗变换获得高电压输出的

（２）压电陶瓷变压器比较脆弱，容易发生断裂现象，但如果采用胶体保护可以基 本上解决这个 问题 ；

（３）压电陶瓷变压器在使用过程中，会发热，其谐振频率会随着温度的升高发生 漂移 ；

（４）由于对压电陶瓷变压器的前期研发投入一般较高，导致压电陶瓷变压器的价 格在市场上偏高：

（５）压电陶瓷变压器在规模化生产过程中的制造工艺还不是很完善，压电陶瓷变 压器的生产 良品率有待进一 步提高。

压 电陶瓷变压 器主要用于高 电压、低 功率和正 弦波变 换的情况 ，易于朝着 高效率 、 微型化 、低 噪声、高可靠的方向发展 。虽 然，压电陶瓷变压器理想的能量转换效 率可 接近 １００％，然而由于压电陶瓷变压器涉及到电学，声学，机械学等综合学科，压电 陶瓷变压器 的设计 ，制造和应用等方面均存在 问题 ，例如实现宽频带 以及进一步实现 低温烧结温度等 问题还需要进一步研究 ，压 电陶瓷变压器 目前只能少量代替，而不能 完全代替 电磁变压器 ．

１．２．４应用领域 　　　　

商业化生产的压电陶瓷变压器在市场上以升压型为主，一般输入几伏的高频交流 电压，可获得数百倍的高频高压输出。压电陶瓷变压器具有电压变换，阻抗变换和电 流变换等功能，可应用在各种电子线路 中，例如电压、电流 、频 率、相位之间的电能 变换，改变信 号极性，变换信号波形，或 匹配 电路阻抗等等 。

压电陶瓷变压器根据其特性还将被广泛应用于手机 （黄以华等，２００３），传真机，

静电复印机，掌上电脑，ＤＣ／ＤＣ 电源，小功率开关电源，小功率激光管电源，负离 子发生器，臭氧产生器，冷阴极荧光管（ＣＣＦＬ）如扫描仪等，高压电源如红外夜视仪、

手提 Ｘ 光机等，高压点火装置如汽车火花塞、压电点火器、导弹和手榴弹的压电雷 管等，液晶背光源反流器（ＬＣＤ　ＢＡＣＫＬＩＧＨＴ　ＩＮＶＥＲＴＥＲ）如个人数字助理（（ＰＤＡ）、数 码相机、便携数字视频机、车载电视（（ＣＡＲ　ＴＶ）、个人多媒体中心（（ＰＭＰ）、全球定位系 统（ＧＰＳ），游戏机（ＧＡＭＥ－ＢＯＸ）、笔记本 电脑（ＮＯＴＥＢＯＯＫ）、液 晶显示器（ＬＣＤ

ＭＯ ＮＩ Ｔ ＯＲ ） 、液晶电视（ （ Ｌ Ｃ Ｄ　 Ｔ Ｖ ） 等，警用电击器等电子信息产业和高电压、低电流

的功率器件。同时在计算机、摄像机等的ＡＣ／ＤＣ适配器和 ＡＣ－ＤＣ及 ＤＣ－ＤＣ开关电 源中，有着广 阔的应用前景。

１ ． ３直流开关电源研究现状

计算机 、电焊、电镀、超声波加工、荧光灯 、现代办公设备、通讯装置、航海装 置等电子设备在工作时，都需要稳定的直流电压，而电网电压通常是 ２２０Ｖ５ＯＨｚ，电 压波动可达 士１０％，甚至更高，而且可能含有尖峰 、浪 涌或高频千扰 。因此直流稳压

电源需要完成 以下任务：抑制 来 自电网的干扰、ＡＣ－ＤＣ 高效率转换 、较小的传导发 射 以及低 电磁辐射 、输出电压稳 定．直流开关电源根据输出特性 、各种 电路参数的要 求，可以采用正激变换方式、半桥、全桥、推挽方式等电路结构 （郑耀添，２００５）０

开关 电源是 以半导体开关器件 的开 闭为基本原理，通过控制 开关 晶体管的开通和 关 闭时间来维持 电压稳定输 出的一种 电源。开关电源分 ＡＣ－ＤＣ和 ＤＣ－ＤＣ两大类，

其 中ＡＣ－ＤＣ变换是将交流信 号变换为直流 电压 ，ＤＣ－ＤＣ变换 是将 固定 的直流 电压变 换成所需要的其它直流 电压 。

八十年代使用 的脉宽调制 （（ＰＷＭ）开关电源 是硬开关工作模式，频率低、体积 大、开关损耗大，虽然实现开关电源的高频化可以缩小体积重量，但开关损耗也随着 变大了，因为功耗与频率成正比。九十年代中期己经开始出现开关电压、电流波形不 交叠的技术 （准谐振技术），即零电压（ＺＶＳ），零电流（（ＺＣＳ）开关技术。如今实现准谐 振变换器的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并不断成熟，这大大促进了开关

电源向着高效率和小型化方向发展 （郑耀添，２００７）０ 　　　　

开关电源的优点是效率高、轻巧、输入电压 范围很宽。由于开关 电源工作于开关 方式，效率较高（一般 ８０％），所以电源功耗很小，电源系统温升低，从而提高了整机 的稳定性和可靠性。而且开关电源对电网的适应能力也有很大的提高，开关电源在电 网电压从 １１０＾２６０Ｖ范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。当脉冲频率较高时，

电感、电容和变压器等储能元件 以及滤波器件可 以做得较小，因此有利于减小整个开 关电源的体积。

但常规 开关 电源 的缺 点主要有如下几个方面 ： 　　　　

（１）负载在较大范围内变化时反馈环路不稳定，容易产生 自激振荡 （罗华等，

２００３）：

（２、容易产生电磁千扰 。由于功率器件处于开关工作方式，因此 ｄＶ／ｄｔ，　ｄ１／ｄｔ都

很大 ，容易产生较强的传导发射 以及辐射干扰 ； 　　　　

（３）容易产生共模干扰。由于高低电位段具有不同的对地阻抗，而且地线网络对 高频信号有较大阻抗，使相线和中线对大地形成不同的阻抗，即对高频差模信号产生 不同的相移，这种差模电压会转化为共模电压，从而产生共模干扰信号，共模干扰信 号一旦产生，就很难滤除 （郑耀添，２００５）；

（４）直流电压输出的纹波系数大；

（５）较难实现精确的程序控制，常规的开关电源无法在各种工作状态之间自由转 换；

（６）开关电源常常要求电源的输出受外界电路的控制，而远程控制信号通常为模 拟信号，其在传输过程 中常常会受到外界 的干扰 ，从而导致无法对 开关 电源的输出进 行精确控制 （罗华等，２００３）０

目前，从节能降耗、追求绿色环保、提高开关电源品质以及适应特殊用途的角度 出发，低待机损耗开关电源、共振开关电源、小电压大电流 ＤＣ－ＤＣ开关电源、智能 化 开关电源和 高频大功率开关 电源 已经成 为国内外研究重点。

低待机损耗开关电源的突出特点是节能降耗。有些电气设备如计算机、电视机、

空调、传真机、复印机等在没有使用时，并不是完全切断电源。实际上，从电源插头 接通的时刻起，它们就不停地在消耗电能，这就是 “待机损耗”问题。在全球能源短 缺和气候变暖问题日益凸显的今天，削减待机损耗将成为开关电源设计者的一个重要 研究方向。开关电源处于待机状态时，损耗主要集中在开关损耗、铁芯损耗、集成电 路 的损耗、辅助电源 的损耗 等因素上。因此在元器件 的选择过程中，应尽量选用驱动 功率较 小的开关管 、损耗较低 的铁芯变压 器和功耗较小的集成 电路芯片 （陈小 明，

２００１）。

目前，小型化开关电源的开关频率都比较高，但是开关频率的提高，使得开关损 耗增加，随之而来的还有噪声的增大。共振开关电源是利用电感、电容的共振周期，

当 电流或电压经过正弦振荡下降到零时关闭或开启开关管 （陈小 明，２００１）．利用共 振技术后，电源的效率得到了显著的提高，且大大地降低了电磁干扰，工作频率可以 达到兆赫兹级，体积可以做到很小。目前共振开关电源技术复杂，造价较为昂贵，但 随着专用控制集成 电路 的开发 ，它将得到更广泛的应用 。

小电压、大电流 ＤＣ－ＤＣ开关电源变换器要求有较高的转换效率，快速的负载瞬 时响应 。虽然输 出电压的降低使得二次整流二极管的功耗在输入功率 中所 占的比例升

高 ，导致转换效率 的降低，但是采用 同步整流技术，用低导通 电阻的场 效应 管代替二 极管，那么它的损耗功率可以大大降低。采用多个场效应管并联的同步整流技术从理 论上讲可以使功耗趋向于零 （陈小明，２００１）０

智能化开关电源能有效的解决电源系统的稳定性、抗干扰性、可控性等问题。随 着开关 电源技术 的日益成熟，开关 电源在应用的过程 中不仅要能够独立工作，而且还 要具有一定 的智能化特点，比如对程序 实现精确的控制，适应联 网工作 的要求等。智 能化开关电源主要由数字信号处理器 （ＤＳＰ）、复杂可编程逻辑器件 （ＣＰＬＤ）、现场 可编程逻辑 阵列 （（ＦＰＧＡ　）．　Ａ／Ｄ和 Ｄ／Ａ转换器、ＣＡＮ现场总线接 口、主 电源 电路、

输助 电源 电路 、保护 电路等几部分构成 （罗华等，２００３）。智能化开关 电源 能够实时 检测开关 电源 以及负载设备的电压 、电流 、频率等电学性能参 数和工作状态等信息，

并据此反馈正常工作状态或故障信息，从而通过智能化的数字控制技术来适时调整开 关 电源的工作参数，使其输 出稳 定可靠 。

目前，高频大功率开关电源均采用移相控制全桥脉宽调制零电压谐振软开关技术 来实现，该类型的开关电源是近年来研究的热点，它是脉宽调制技术与谐振技术相结 合的产物 。由于采用了谐振技术 ，这种开关 电源对元器件 的性能指标要求较高 ，要求 其 参数有较好的一致性。无论 电路采用何种谐振方式 ，当电源 的负载发生变化时，必 然 会影响到 电路的谐振参数 ，因此 ，谐 振状态是局部的，有一定的负载区间，难 以在 全 部或大部分负载区间实现谐振 。在谐 振状态时元器件承受了较高的电气应 力，尤其 在设计大功率开关电源过程中使用电压谐振的单端谐振电路时，虽然可以获得极高的 工作频率（兆赫兹级），但元器件要承受几倍以上的电源电压应力，设计开关电源时如 何更好的解决这个问题已成为研究热点 （罗华等，２００３）０

与此同时，开关电源技术总 的发展方 向还朝着重量轻 、体积小 、噪声小 、薄型、

高频、低耗 、环保、高功能密度、高转换 效率、稳压范 围宽、高可靠性 、动态特性 良 好 、抗干扰和模块化等方 向发展 。

传统的 电磁变压器 与电感通常是 由铁氧体磁芯及铜线圈绕制而成 ，体积庞大而且 容易产生电磁干扰。开关电源的低噪声、抗干扰性和高可靠性等特点离不开磁性元器 件的低噪声、抗千扰性和高可靠性．磁性元器件如变压器和电感是开关电源的重要组 成部分，它是完成能量储存与转换、滤波和电气隔离的主要元器件，是影响开关电源 体积、重量的主要因素．为了实现开关电源的轻、小、薄特点，在电感器材料的选择 上可 以采 用高频磁性材料如非 晶态软磁合金、超微晶软磁 合金等代替传统 的硅钢 ，以

提高在高频率和较大磁通密度场合下的磁性能，采取并运用饱和电感技术可以吸收电 路中的浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡和改善二次整流器件的损耗等 （郑耀添，２００５）， 新型高性能磁性材料的运用有利于降低噪声和减少干扰。同时，磁性元器件参数的选 取直接影响开关电源的输出性能；磁性元器件的损耗大小对变换器的效率有影响；磁 性元器 件的寄生参数影响着 开关管的 电压和 电流特性 （李洪珠 等，２００６）０

开关电源技术虽然近年来得到了很大的发展，但与其他技术相比，特别是与集成 电路技术相比，还存在不能大规模集成、使用方法复杂等缺点。今后，采用绿色环保 的电子元器件和电路结构进行最优化设计将是开关电源技术的主要方向 （陈小明，

２００１）。

随着对开关电源性能要求的不断提高，开关电源继续朝着小型化、高效率、低成 本、低 电磁干扰 、高可靠性 、模块化 的方 向发展 ．这就需要新的变换理论和新元器件 的出现 （陈小明，２００１）０

１ ． ４本课题研究 目的

随着科学技术的 日益发展，如今开关电源技术 已经相继进入各种 电子 通信、电器 设备、仪器仪表及高新技术领域，同时电子设备对各类电源提出了越来越高的要求，

如辐射少、能量密度高、无电磁干扰、无噪声、尺寸小、适合在恶劣环境下工作等特 点，但是传统的电磁变压器是利用磁芯和一定匝数的线圈产生电磁感应现象来工作 的，这就导致利用传统的电磁变压器所设计的开关电源容易产生电磁千扰且容易被电 磁干扰，而设计人员往往要花费很大精力来解决磁芯绕线式变压器开关电源的电磁干 扰和电磁兼容问题。传统的电磁变压器无法从根本上消除自身所产生的电磁干扰问 题，导致这类电磁变压器在生命科学、医疗、高精密测试领域的应用中有很大的局限 性 。况 且廉价 的电磁 变压器给公司或企业带来的利润微薄，竞争激烈 。随着美国、欧 盟 、日本等地区 已将电磁兼容作为 电器设备强制检测的标准，国内为 了保护 生态环境 而 日益重视 电磁兼容 （电磁污染）问题 。因此有必要在一个新 的领域 中设计和制造一 种新型实用开关 电源 。压电陶瓷变压器作为一种新型固体电子变 压器的出现 ，为各类

电源的设计与制造提供 了一个新的平 台。

目前，国内仅有少数几家公司在生产和制造压电陶瓷变压器开关电源，主要集中 在北京、西安和深圳。这些公司的经营范围主要集中在高升压比的压电陶瓷变压器生 产和销售方面。虽然一些高等院校也在从事压电陶瓷变压器 方面 的研 究，但也都主要

集中在压电陶瓷变压器本身的配方和生产工艺方面。

本课题针对目前各种类型开关电源普遍使用传统的电磁变压器，并由此产生的电 磁干扰、功率密度小 、结构复杂、容易短路烧毁、存在绕组、使用金属材料、不利 于 薄型化等难 以解决的问题，研 制一种 基于压 电陶瓷变压器 的新型直流开关电源。

基于压 电陶瓷变压器 的新 型直 流开关 电源是属于一种 新型高性能功能陶 瓷材 料 的运用和全新理论的高科技产品。与传统 的电磁变压器 开关 电源相 比，具有无 电磁干 扰，也不受电磁干扰、能量转换效率高、功率密度大、耐辐射、耐高温、无噪声、可 靠性高 、结构简单、不 怕短路烧毁、电源安全性高 、体积小 、重量轻等特 点。

１ ． ５本课题研究内容

本课题研究内容如下：

（１）运用电力电子、集成电路、压电学等相关知识从理论上确立基于压电陶瓷变 压器 的新型直流开关电源研究的可行性 ；

（２）对压电陶瓷变压器进行性能测试，在交流输入恒定的情况下，确定压电陶瓷 变压器的谐振频率以及 定性确 定其输 出电压 与工作频率的关系；

（３）根据压电陶瓷变压器的特点设计整个电源系统的参数和完整的电路：

（４）对电源系统进行优化设计、制作与实验研究；

（５）探索获得开关电源较大输出功率途径。

２基于压电陶瓷变压器的新型直流开关电源总体方案

２ ． １电路设计要求

基于压电陶瓷变压器的新型直流开关电源设计要求包括输入电压（ＶＡＣ）：　２２０Ｖ士 ２０％；输出电压（ＶＤＣ）：　３０Ｖ：效率：８０％－９０％．

２ ． ２电路设计方案

基 于压 电陶瓷变压器 的新型直流开关 电源的整体 电路设计方框图如图 ２．１所示 。

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图 ２．１整 体 电路设计方 框图

２２０Ｖ５ＯＨｚ的交流市电在整流之前首先要经过电磁干扰滤波器。电磁干扰滤波器 一般由电感（Ｌ）和电容（Ｃ）元器件组成，其作用是滤除掉射频干扰成份，防止来 自电网 的干扰侵入到所设计的电路系统，也可以阻止所设计的电路系统产生的高次谐波干扰 信号通过输入端反馈进入交流电网，以抑制对电网的污染和对其它电子设备的干扰：

从电磁干扰滤波器输出的交流电压经过整流后转变为纹波较大的直流电压，在经过大 容量高耐压值的电容滤波后形成纹波系数较小的直流高电压，并输出给ＤＣ－ＡＣ变换 器和功率放大电路；ＤＣ－ＡＣ变换器的功能是在外围电路的共同作用下将直流电压变 换成高频脉冲信号，高频变换部分的核心是功率开关元件，此高频脉冲信号的频率设 置在压电陶瓷变压器的谐振频率附近并驱动两个功率管交替轮流导通；功率放大电路 由两个 Ｎ 沟道的金属氧化物半导体场效应管组成，在高频脉冲信号的作用下输出高 频高压的交流信号，此交流信号的频率仍然在压电陶瓷变压器的谐振频率附近 ，只是 电压的幅值有所增强；功率放大 电路输 出的高频高压交流信 号经过一个输入匹配电路

网络，使压 电陶瓷变压器的输入端产生 串联谐振 ，激发压 电陶瓷变压器在谐振频率下 工作；利用压电陶瓷变压器工作在谐振状态来设计开关电源，这样压电陶瓷变压器才 能有最大的工作效 率和转换效率，此时压 电陶 瓷变压器的输 出幅度达到最大 ，并且保 证在谐振 频率下所输 出的交流电压值 满足稳定直流电压输 出的要求，充分发挥压电变 压器的优 势；而压 电陶瓷变压器的输 出匹配电路网络使压 电陶瓷变压器的输出端同样 发生串联 谐振 ，激发压电陶瓷变压器产生稳定可靠的高频正弦波输 出；输出整流电路 将高频正弦波转换为直流 ；输 出滤波 电路有效减少输出电压 的纹波系数 ；输 出稳压 电 路获得稳 定的电压输 出。

２ ． ３试验设计方案

基于压电陶瓷变压器的新型直流开关电源的试验设计采用示波器（（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　ＴＤＳ ３０３４）、精密直流稳压电源（Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｅ３６３１Ａ）．精密 ＬＣＲ测试仪（（Ａｇｉｌｅｎｔ　４２８４Ａ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬＣＲ　Ｍｅｔｅｒ）、函数发生器（（Ｓｏｎｙ　Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ　ＡＦＧ３２０　Ａｒｂｉｔｒａｒｙ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）、电流 探头（（ＴＣＰ２０２　１５Ａｍｐｅｒｅ　ＡＣ／ＤＣ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｒｏｂｅ）等仪器设备及配件进行压电陶瓷变压器 性 能测试 、电路系统 中压 电陶瓷变压器的输入测试、电路系统 中压电陶瓷变压器 的输

出测试 、输 出直流 电压稳定性测试 、不 同负载情况下 电压输出等测试。

通过这些试验来指导 电路系统 的设 计与调试 ，通过对试验 的评价 来对 电路 设计方 法进行修正 以及改进。这些从不同侧面进行 的试验有助于发现 设计过程 中出现 的问题 并提 出解决 问题的方法和途径 。

２ ． ４本章小结

本章阐述了基于压 电陶瓷变压器 的新型直流开关 电源的整体电路设计方 案，各部 分 的组成和功能， 电路系统试验及其作用 。