压电陶瓷变压器

与传统的电磁式变压器比较，压电陶瓷变压器所用的材料、产品的结构、工艺技术及工作原理均不相同。电磁式变压器所用的主材是磁性材料和导电材料，分别用作结构的磁心和绕组，其能量变换形式是电—磁—电。而压电陶瓷变压器所用的主材是二元系压电陶瓷材料（PZT）如锆钛酸铅，三元系压电陶瓷材料(PCM、PSM)——即在PZT基础上添加其它元素以及四元系压电陶瓷材料（PMMN）等。经高温烧结和高压极化而制成产品，其能量变换方式是电—机—电。由此可见，电磁式变压器的能量变换按其结构形式需要在一个正交的立体空间完成，而压电陶瓷变压器可以在一个平面内进行能量变换，因此，压电陶瓷变压器容易设计成片式化结构。

多层压电变压器也具有电压变换、阻抗变换和电流变换等功能。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。

一、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。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，即：电能→机械能→电能。

以Rosen型升压变压器为例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，然后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。

单层压电变压器的工作原理也可用表示，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。

二、多层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，下图是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Cout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：

长度×宽度×层数×�/（2×单层厚度）

×厚度×宽度×�/长度

三、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。

压电陶瓷变压器的工作原理是利用压电陶瓷材料的特性——正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应就是这种材料在力的作用下（或变形）产生电荷或电压，而逆压电效应就是施加电压时，该材料产生变形或振动。压电陶瓷变压器的工作原理，就是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应特性，通过对压电陶瓷体的电极和极化方向取向特点进行设计，利用逆压电效应使与输入端相连接的压电陶瓷体在电压作用下产生机械振动，再通过正压电效应使与输出端连接的压电陶瓷体产生电压。当输入端和输出端的阻抗不相等时，则导致其两端的电压和电流也不相等，由此实现输入端和输出端之间电压与电流大小变换的功能。