多层压电陶瓷变压器及其应用技术
http://www.51xue.org.cn 2007/6/13 源自:互联网 【字体：
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1引言
压电陶瓷变压器最早于1956年由美国人C.A.Rosen提出，他根据压电理论及压电方程对压电变压器的基本工作原理进行了阐述，并制成单层压电陶瓷变压器；之后数年，人们对压电变压器理论及其应用进行了广泛的研究，得到一些实际应用，但因特性欠佳，制造工艺不完善，成本较高等，未获得广泛的应用。因此，20世纪60年代到70年代初可以看成压电变压器发展的初级阶段，仅限于单层压电陶瓷变压器。
1980年，中国科学家首先提出采用多层技术制造压电陶瓷变压器，并且制作出第一支多层压电陶瓷变压器，可简称MPT（MultilayerPiezoelectricTransformer）。由于多层压电变压器具有独特的优点，更适合实际应用，因而引起各国科研人员的广泛关注。随着电子陶瓷元器件制造技术的发展，尤其是多层陶瓷器件工艺技术的出现和日趋成熟，进入20世纪90年代，电子产品要求小型化、薄型化、高效化，多层压电变压器用于液晶显示器背光电源刚好满足了这些要求，并克服了传统电磁变压器的一些缺点，因此，以日本NEC，TDK，村田，日立金属等公司为代表的电子元器件厂家在该领域开展了大量研究，20世纪90年代末将压电变压器大量用于液晶显示器背光电源，标志着压电变压器制造技术及产业化已经成熟。从20世纪80年代到90年代单层压电变压器技术进一步成熟，在一些小型高压电源中得到实际应用，如负离子发生器、臭氧发生器、静电喷涂等。
在我国，以清华大学材料系为代表的科研院所在20世纪70年代开始压电变压器的研究与开发，在压电变压器材料、结构、理论及制造工艺上取得一定的成果。清华大学材料系作为在国际上最早从事多层压电变压器研究开发的机构，积极推动了我国多层压电陶瓷变压器的产业化进程。
2压电变压器的分类及制造工艺
压电变压器一般采用锆钛酸铅（PZT）系压电陶瓷材料经过烧结、极化等工艺制造而成。有工作在超音频的升压压电变压器，也有工作频率为工频的降压压电变压器。与传统的铁芯线绕电磁变压器相比，它具有体积小、使用时不击穿、耐高温、不燃烧、电磁干扰很小，且结构简单，易批量生产等优点。和一般的电磁变压器一样，压电变压器也具有电压变换、阻抗变换和电流变换等功能。
用于液晶显示器背光电源输出功率为4W左右的电磁变压器与多层压电变压器（含外壳）体积比较,舅图1A所示，外形尺寸为35.2mm×7.8mm×3.1mm,功率为4W，工作频率～55kHz,升压比33，转换效率93％。
多层压电陶瓷变压器，由于各个厂家的产品在内部结构、内外电极形状上有较大的差异，有的结构具有专利权，因而产品外观也有区别。图2为不含外壳的多层压电变压器。
压电变压器的结构可分为单层压电变压器和多层压电变压器。按用途可分为升压型变压器和降压型变压器。升压与降压变压器均可采用单层或多层结构，一般来说，多层结构具有较大的变比与较高的能量传输密度。单层压电变压器采用传统的干压成型工艺，主要工艺过程为：
陶瓷粉体→干压成型→高温烧结→电极→极化→性能测试
多层压电变压器一般采用与多层陶瓷电容器（MLCC）相类似的制造工艺，但由于单个元件比MLCC大得多，两者的制造工艺仍有较大的差异，多层压电变压器主要工艺过程如下：
陶瓷粉体→流延→内电极印刷→叠层→切块→高温烧结→外电极→极化→性能测试
3多层压电变压器的工作原理
压电变压器也是一种压电换能器，它利用压电陶瓷的机电能量转换机理，一般的压电换能器只将电能与机械能（超声波）作单向转换，即电能→机械能或机械能→电能。压电变压器先将输入的电能转换为机械能，再将机械能转换为电能，以Rosen型升压变压器为例，
电能————→机械能————→电能
在输入端施加一定频率的低压，由逆压电效应在变压器内部首先将电能转换为机械能——纵驻波传播，变压器输出端再将机械能转换为电能，产生一定频率的高压，从而实现升压过程，如图3所示。
单层压电变压器的工作原理也可用上图表示,只是输入端(初级)为单层。VIN上施加的交流电压在输入端沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸应变，这种应变沿长度方向传递到输出端。1/4处与3/4处的支撑点是某谐振频率下的驻波的节点，压电变压器内部电极构造、长度、材料声速V决定了压电变压器可能有多个谐振频率fn，常用的频率有λ/2，λ，3λ/2。
fn=n(V/2×长度)
材料的综合系数g[ω]、输入端的层数、单层厚度、变压器的总长度影响升压比R，它们之间有如下的关系：
R=(长度×层数/单层厚度)×g[ω]
4压电变压器的等效电路
由压电变压器的工作机理可以看出，压电变压器工作过程涉及电学、声学、压电学、固体物理学等诸多领域，因此很难用一个简化模型来解释它的工作特性，为了研究压电变压器在电路中的特性，人们提出了许多压电变压器的电路模型，图4示出一种常见的简化模型。
模型中的参数值与多层压电变压器的结构紧密相关，由多层电极结构和材料介电常数决定了输入端电容CINPUT较大，一般为几十nF到几百nF；输出端电容COUTPUT因电极距离较大一般为几十pF。单层压电变压器的输入电容为几个nF。输入、输出电容可用下式来计算：
CINPUT=长度×宽度×层数×/（2×单层厚度）
COUTPUT=2×厚度×宽度×/长度
压电变压器自身的机械谐振频率（ω0）与实际电路中的RLC谐振不同，它与陶瓷材料的弹性模量（Y）、密度（ρ）、长度（Length）有一定的比例关系，即这种机械谐振可以用上图的RLC串联电路来描述。这样，压电变压器的有关特性就可借助电路来分析。,Q=ω0×L/R一种有12层，工作频率达70kHz的多层压电变压器，按照上述模型，输入电容CINPUT=200nF；输出电容COUT=30pF；n=30；串联RLC为2Ω，1μH，6nF。
5多层压电变压器的谐振工作特性
从以上的工作原理及等效电路可以推论，压电变压器工作时首先必须在谐振状态即外电路驱动与压电变压器自身产生谐振，这样压电变压器才能较好的工作，压电变压器的许多特性都与谐振密切相关，如输出电压、升压比、转换效率、输出输入阻抗、输出功率等。多层压电变压器工作时使用的频率范围较窄，一般为2kHz左右，这也是压电变压器与铁芯线绕电磁变压器的最大区别。图5表示只改变输入信号频率、其他条件不变时输出电压与频率的关系，可以看出压电变压器具有明显的谐振工作特性。
一般分析压电变压器的工作特性，都是在谐振工作状态。多层压电变压器的升压比（负载100kΩ）为30～100，空载升压比更高；输入阻抗较低（最低可达0.5Ω），输出阻抗较高,因此比较适合在LCD背光电源中驱动冷阴极荧光灯管；文献报道，多层压电变压器的转换效率最高可达97％，普遍认为负载合适时工作效率大于90％；目前，由于制造工艺等原因，多层压电变压器的输出功率仅限于0.5W～8W，折算功率密度为～1W/g。
多层压电变压器的谐振工作频率范围较窄，而且频率随着电路中的负载特性、参数、变压器自身工作产生的温升等条件，需要作较大的调整，压电变压器才能很好地工作。因此，在实际电路中，需要对电路工作频率作自动调节，目前，国内外压电变压器背光电源都采用频率自动调节技术，并与其他控制器件集成在一个专用IC里，从而使压电变压器背光电源的性能更加稳定、可靠，利于规模化生产。
6多层压电变压器的主要应用
液晶显示器显示图像时需要均匀的背光，背光由一支或多支冷阴极荧光灯管（CCFL）发光来提供。传统背光电源采用小型线绕式变压器产生高压来驱动CCFL，由于体积限制，存在高压工作时产生击穿、打火、甚至燃烧现象，伴随较大的电磁干扰，给实际应用带来一些问题。多层压电变压器的升压比高，高压下工作不会击穿，电磁干扰小，正好克服了线绕变压器的缺点，并具有转换效率高、体积小、重量轻、输出波形好等优点，非常适合驱动CCFL，近年来在LCD背光电源中获得了广泛的应用。
压电背光电源也是一种DC/AC转换模块，例如它将输入的直流电（如12V，300mA）经过变换、升压，输出一定频率的交流高压（70kHz,600Vrms,5.0mArms）来驱动CCFL工作。其原理如图6所示。
近年来，国内外多家公司推出多种采用压电变压器的背光电源，输出功率从0.5W到5W，输入电压为3VDC～18VDC，应用在3″～15″LCD模块中，产品包括数码相机、PDA、笔记本电脑等。
图7为某公司的背光电源，输入电压为3VDC～6VDC，输出功率3.5W,实际尺寸为32.0mm×24.0mm×4.9mm，重量为7.3g。随着TFT-LCD的进一步普及，采用压电变压器的背光电源会越来越受到电子厂商的重视。
7小结
多层压电变压器作为一种新型的变压器，目前主要用于TFT-LCD背光电源，实际上它可以用在许多DC/AC转换电路中，尤其需要小型高压电源的地方，充分发挥其体积小、电磁干扰小等优点，如探测仪器、仪表。美国、前苏联曾对压电变压器在军事领域的应用作过深入的研究，国内也有这方面的研究成果。多层压电变压器与传统变压器相比，一方面成本高、批量生产一致性差，制造工艺有待进一步完善；另一方面在应用技术上，各个厂家的多层压电变压器差异很大，不能互换，控制回路结构、工作原理也不相同；压电变压器的工作机理、特性不为大家所熟悉，这些都妨碍了多层压电变压器的进一步推广应用。近年来，日本多家公司如Tamura、NEC、日立金属等在压电背光电源方面都有成熟的批量化产品，技术水平较高，使大家对多层压电变压器应用前景有了新的认识，国内的公司、科研机构也纷纷在该领域开展研究与开发，积极推进产业化。
综上所述，虽然压电变压器有几十年的发展历史，只是近几年才较大规模的投入使用。近年来，我国大陆和台湾省的多家公司也在多层压电变压器领域进行相关的研究与产业化工作，虽然起步较晚，但技术水平已接近国际水平，目前压电变压器尤其是多层压电变压器已成为各大元器件厂商关注的热点，必将推动压电变压器制造技术与应用技术更快的发展，使压电变压器最终成为一种广泛使用的标准器件。
压电陶瓷变压器最早于1956年由美国人C.A.Rosen提出，他根据压电理论及压电方程对压电变压器的基本工作原理进行了阐述，并制成单层压电陶瓷变压器；之后数年，人们对压电变压器理论及其应用进行了广泛的研究，得到一些实际应用，但因特性欠佳，制造工艺不完善，成本较高等，未获得广泛的应用。因此，20世纪60年代到70年代初可以看成压电变压器发展的初级阶段，仅限于单层压电陶瓷变压器。
1980年，中国科学家首先提出采用多层技术制造压电陶瓷变压器，并且制作出第一支多层压电陶瓷变压器，可简称MPT（MultilayerPiezoelectricTransformer）。由于多层压电变压器具有独特的优点，更适合实际应用，因而引起各国科研人员的广泛关注。随着电子陶瓷元器件制造技术的发展，尤其是多层陶瓷器件工艺技术的出现和日趋成熟，进入20世纪90年代，电子产品要求小型化、薄型化、高效化，多层压电变压器用于液晶显示器背光电源刚好满足了这些要求，并克服了传统电磁变压器的一些缺点，因此，以日本NEC，TDK，村田，日立金属等公司为代表的电子元器件厂家在该领域开展了大量研究，20世纪90年代末将压电变压器大量用于液晶显示器背光电源，标志着压电变压器制造技术及产业化已经成熟。从20世纪80年代到90年代单层压电变压器技术进一步成熟，在一些小型高压电源中得到实际应用，如负离子发生器、臭氧发生器、静电喷涂等。
在我国，以清华大学材料系为代表的科研院所在20世纪70年代开始压电变压器的研究与开发，在压电变压器材料、结构、理论及制造工艺上取得一定的成果。清华大学材料系作为在国际上最早从事多层压电变压器研究开发的机构，积极推动了我国多层压电陶瓷变压器的产业化进程。
2压电变压器的分类及制造工艺
压电变压器一般采用锆钛酸铅（PZT）系压电陶瓷材料经过烧结、极化等工艺制造而成。有工作在超音频的升压压电变压器，也有工作频率为工频的降压压电变压器。与传统的铁芯线绕电磁变压器相比，它具有体积小、使用时不击穿、耐高温、不燃烧、电磁干扰很小，且结构简单，易批量生产等优点。和一般的电磁变压器一样，压电变压器也具有电压变换、阻抗变换和电流变换等功能。
用于液晶显示器背光电源输出功率为4W左右的电磁变压器与多层压电变压器（含外壳）体积比较,舅图1A所示，外形尺寸为35.2mm×7.8mm×3.1mm,功率为4W，工作频率～55kHz,升压比33，转换效率93％。
多层压电陶瓷变压器，由于各个厂家的产品在内部结构、内外电极形状上有较大的差异，有的结构具有专利权，因而产品外观也有区别。图2为不含外壳的多层压电变压器。
压电变压器的结构可分为单层压电变压器和多层压电变压器。按用途可分为升压型变压器和降压型变压器。升压与降压变压器均可采用单层或多层结构，一般来说，多层结构具有较大的变比与较高的能量传输密度。单层压电变压器采用传统的干压成型工艺，主要工艺过程为：
陶瓷粉体→干压成型→高温烧结→电极→极化→性能测试
多层压电变压器一般采用与多层陶瓷电容器（MLCC）相类似的制造工艺，但由于单个元件比MLCC大得多，两者的制造工艺仍有较大的差异，多层压电变压器主要工艺过程如下：
陶瓷粉体→流延→内电极印刷→叠层→切块→高温烧结→外电极→极化→性能测试
3多层压电变压器的工作原理
压电变压器也是一种压电换能器，它利用压电陶瓷的机电能量转换机理，一般的压电换能器只将电能与机械能（超声波）作单向转换，即电能→机械能或机械能→电能。压电变压器先将输入的电能转换为机械能，再将机械能转换为电能，以Rosen型升压变压器为例，
电能————→机械能————→电能
在输入端施加一定频率的低压，由逆压电效应在变压器内部首先将电能转换为机械能——纵驻波传播，变压器输出端再将机械能转换为电能，产生一定频率的高压，从而实现升压过程，如图3所示。
单层压电变压器的工作原理也可用上图表示,只是输入端(初级)为单层。VIN上施加的交流电压在输入端沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸应变，这种应变沿长度方向传递到输出端。1/4处与3/4处的支撑点是某谐振频率下的驻波的节点，压电变压器内部电极构造、长度、材料声速V决定了压电变压器可能有多个谐振频率fn，常用的频率有λ/2，λ，3λ/2。
fn=n(V/2×长度)
材料的综合系数g[ω]、输入端的层数、单层厚度、变压器的总长度影响升压比R，它们之间有如下的关系：
R=(长度×层数/单层厚度)×g[ω]
4压电变压器的等效电路
由压电变压器的工作机理可以看出，压电变压器工作过程涉及电学、声学、压电学、固体物理学等诸多领域，因此很难用一个简化模型来解释它的工作特性，为了研究压电变压器在电路中的特性，人们提出了许多压电变压器的电路模型，图4示出一种常见的简化模型。
模型中的参数值与多层压电变压器的结构紧密相关，由多层电极结构和材料介电常数决定了输入端电容CINPUT较大，一般为几十nF到几百nF；输出端电容COUTPUT因电极距离较大一般为几十pF。单层压电变压器的输入电容为几个nF。输入、输出电容可用下式来计算：
CINPUT=长度×宽度×层数×/（2×单层厚度）
COUTPUT=2×厚度×宽度×/长度
压电变压器自身的机械谐振频率（ω0）与实际电路中的RLC谐振不同，它与陶瓷材料的弹性模量（Y）、密度（ρ）、长度（Length）有一定的比例关系，即这种机械谐振可以用上图的RLC串联电路来描述。这样，压电变压器的有关特性就可借助电路来分析。,Q=ω0×L/R一种有12层，工作频率达70kHz的多层压电变压器，按照上述模型，输入电容CINPUT=200nF；输出电容COUT=30pF；n=30；串联RLC为2Ω，1μH，6nF。
5多层压电变压器的谐振工作特性
从以上的工作原理及等效电路可以推论，压电变压器工作时首先必须在谐振状态即外电路驱动与压电变压器自身产生谐振，这样压电变压器才能较好的工作，压电变压器的许多特性都与谐振密切相关，如输出电压、升压比、转换效率、输出输入阻抗、输出功率等。多层压电变压器工作时使用的频率范围较窄，一般为2kHz左右，这也是压电变压器与铁芯线绕电磁变压器的最大区别。图5表示只改变输入信号频率、其他条件不变时输出电压与频率的关系，可以看出压电变压器具有明显的谐振工作特性。
一般分析压电变压器的工作特性，都是在谐振工作状态。多层压电变压器的升压比（负载100kΩ）为30～100，空载升压比更高；输入阻抗较低（最低可达0.5Ω），输出阻抗较高,因此比较适合在LCD背光电源中驱动冷阴极荧光灯管；文献报道，多层压电变压器的转换效率最高可达97％，普遍认为负载合适时工作效率大于90％；目前，由于制造工艺等原因，多层压电变压器的输出功率仅限于0.5W～8W，折算功率密度为～1W/g。
多层压电变压器的谐振工作频率范围较窄，而且频率随着电路中的负载特性、参数、变压器自身工作产生的温升等条件，需要作较大的调整，压电变压器才能很好地工作。因此，在实际电路中，需要对电路工作频率作自动调节，目前，国内外压电变压器背光电源都采用频率自动调节技术，并与其他控制器件集成在一个专用IC里，从而使压电变压器背光电源的性能更加稳定、可靠，利于规模化生产。
6多层压电变压器的主要应用
液晶显示器显示图像时需要均匀的背光，背光由一支或多支冷阴极荧光灯管（CCFL）发光来提供。传统背光电源采用小型线绕式变压器产生高压来驱动CCFL，由于体积限制，存在高压工作时产生击穿、打火、甚至燃烧现象，伴随较大的电磁干扰，给实际应用带来一些问题。多层压电变压器的升压比高，高压下工作不会击穿，电磁干扰小，正好克服了线绕变压器的缺点，并具有转换效率高、体积小、重量轻、输出波形好等优点，非常适合驱动CCFL，近年来在LCD背光电源中获得了广泛的应用。
压电背光电源也是一种DC/AC转换模块，例如它将输入的直流电（如12V，300mA）经过变换、升压，输出一定频率的交流高压（70kHz,600Vrms,5.0mArms）来驱动CCFL工作。其原理如图6所示。
近年来，国内外多家公司推出多种采用压电变压器的背光电源，输出功率从0.5W到5W，输入电压为3VDC～18VDC，应用在3″～15″LCD模块中，产品包括数码相机、PDA、笔记本电脑等。
图7为某公司的背光电源，输入电压为3VDC～6VDC，输出功率3.5W,实际尺寸为32.0mm×24.0mm×4.9mm，重量为7.3g。随着TFT-LCD的进一步普及，采用压电变压器的背光电源会越来越受到电子厂商的重视。
7小结
多层压电变压器作为一种新型的变压器，目前主要用于TFT-LCD背光电源，实际上它可以用在许多DC/AC转换电路中，尤其需要小型高压电源的地方，充分发挥其体积小、电磁干扰小等优点，如探测仪器、仪表。美国、前苏联曾对压电变压器在军事领域的应用作过深入的研究，国内也有这方面的研究成果。多层压电变压器与传统变压器相比，一方面成本高、批量生产一致性差，制造工艺有待进一步完善；另一方面在应用技术上，各个厂家的多层压电变压器差异很大，不能互换，控制回路结构、工作原理也不相同；压电变压器的工作机理、特性不为大家所熟悉，这些都妨碍了多层压电变压器的进一步推广应用。近年来，日本多家公司如Tamura、NEC、日立金属等在压电背光电源方面都有成熟的批量化产品，技术水平较高，使大家对多层压电变压器应用前景有了新的认识，国内的公司、科研机构也纷纷在该领域开展研究与开发，积极推进产业化。
综上所述，虽然压电变压器有几十年的发展历史，只是近几年才较大规模的投入使用。近年来，我国大陆和台湾省的多家公司也在多层压电变压器领域进行相关的研究与产业化工作，虽然起步较晚，但技术水平已接近国际水平，目前压电变压器尤其是多层压电变压器已成为各大元器件厂商关注的热点，必将推动压电变压器制造技术与应用技术更快的发展，使压电变压器最终成为一种广泛使用的标准器件。
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