壓電陶瓷變壓器在小型電子設備中應用前景廣闊

壓電陶瓷是電子陶瓷器件中一個重要的材料，它具有力(或形變)作用下產生電荷(或電壓)的正壓電效應和電作用下產生力(形變)的逆壓電效應功能，從而可進行電能-機械能和機械能-電能的轉換。壓電陶瓷的上述功能已被制備成傳感器、換能器、驅動器等，廣泛地應用于航空航天、醫學診斷、超聲焊接等領域，成為生產和生活中重要的功能材料。利用壓電陶瓷的正壓電效應和逆壓電效應可以制作成高性能的電源變壓器。
　　多層片式壓電陶瓷變壓器是近年來迅速發展起來的新一代小型高性能電源變壓器。與電磁式變壓器相比，它在小尺寸、低功率等應用場合下有著突出的優點，并已在實用中獲得了很好的效果。隨著通信和信息技術的迅猛發展，多層片式壓電陶瓷變壓器在小型電子設備中，將展現出獨特的優點，具有廣闊的應用前景。
　　市場前景看好
　　壓電陶瓷升壓變壓器在液晶顯示、離子發生器等產品中已獲得了應用。最近美國正在開發汽車安全保護氣囊用的壓電陶瓷變壓器。
　　小型靈巧的壓電陶瓷降壓變壓器在計算機、手機、攝像機等的AC-DC適配器中有著廣闊的應用前景，可以減小AC-DC適配器的體積，甚至可以去掉外接適配器，直接進入電子設備中。
　　通信電源是開關電源所有應用增長速度最快的一部分，即使在美國，工業發達，經濟增長緩慢的情況下，開關電源在通信領域的年增長率也超過15%。在美國僅AC-DC開關電源和DC-DC開關電源就從1996年的約2億美元發展到了2001年的20億美元。在世界范圍內，其產值是巨大的，因而是一個新興的產業。所以，小尺寸、高功率密度的壓電陶瓷變壓器有望在開關變壓器中獲得部分的市場份額。
　　我國在壓電陶瓷材料及應用技術研究和開發方面已有長期的積累，并已掌握了壓電陶瓷粉體的低溫燒結和多層片式壓電陶瓷器件的制備技術。國內已有多個重要的大學、研究所和企業從事壓電陶瓷變壓器的研究和開發工作。可以預料，隨著我國加入WTO，我國的產品市場將進一步與世界接軌，國際上大公司全球化采購電子元器件的趨勢必將給我國帶來新的發展機遇，因此，我國壓電陶瓷變壓器研究單位、生產企業應攜手努力，獨立自主地研發出低成本、高性能壓電陶瓷變壓器，共同推動我國壓電陶瓷產品在新的電子設備中的開發應用，使我國新一代電源變壓器能在國際市場上擁有一席之地。
　　多層片式壓電陶瓷變壓器成為發展熱點
　　上世紀90年代以前，壓電陶瓷變壓器的發展比較緩慢，主要原因是當時對小功率、小尺寸的電源變壓器的市場需求量小，市場上可供選擇的壓電陶瓷變壓器產品少，此外，電子設備設計者和生產商對壓電陶瓷變壓器了解甚少。90年代以后，信息產業發展迅速，全球每年生產出數以億計的電子設備，并且其種類和產品的數量逐年增加。在這些電子設備中，大量使用貼片式的多層片式電容、電感、電阻和高度集成的微電子器件。因此，人們期待新一代小功率、小尺寸的電源變壓器問世，使電子設備能進一步輕質化、小型化。
　　專利數量逐年上升
　　壓電陶瓷變壓器應運而生，它除了在器件尺寸和性能上有著優勢外，另一個重要原因是多層片式電容器制備技術在上世紀90年代后被成功地移植到壓電陶瓷變壓器，它克服了早期用有機粘結劑粘結多層陶瓷變壓器，性能低、性能不穩定、無法規模生產壓電變壓器等不足，使低成本、高性能的壓電陶瓷變壓器的實用化成為可能。
　　多層片式陶瓷結構，它是由N層陶瓷和內電極組成，每層陶瓷的極化方向相反，各電極間采用叉指方式交替地連接。當多層壓電陶瓷與單片壓電陶瓷片的總厚度相同時，多層壓電陶瓷的等效壓電系數d33比單片壓電陶瓷提高了N倍，電容提高了N2倍，電壓下降了N倍(陶瓷承受相同的電場)。所以，疊層結構的多層陶瓷可以容易地改變壓電系數、電容和電壓的大校
　　將多層陶瓷內電極結構用于壓電陶瓷變壓器的驅動和發電部分，可以通過調整陶瓷的層數有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變輸入和輸出電壓的變比和電流的變比。與單片壓電陶瓷變壓器相比，多層片式壓電陶瓷變壓器更易獲得高的升壓比和大的輸出功率(低的降壓比和大的輸出電流)和負荷阻抗匹配，在器件性能提高的同時，體積明顯減校多層片式壓電陶瓷變壓器的專利每年急劇上升。
　　制備多層片式壓電陶瓷變壓器的主要技術難點是獲得能低溫燒結的高性能壓電陶瓷，因為壓電陶瓷通常是在1250℃-1300℃燒結的，它與金屬內電極共燒時需采用貴金屬白金或含貴金屬鈀含量高的銀-鈀內電極料漿，所以，只有采用低溫燒結的壓電變壓器陶瓷材料才能采用賤金屬作為內電極，從而大幅度地降低多層片式壓電陶瓷變壓器的制作成本。
　　日本是世界上生產高檔電子元器件最多的國家，在電子元器件研究和開發的投入也最大。目前，日本幾乎所有大的公司如NEC、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata)、Panasonic、TOTO、京陶(Kyocera)等公司以及東京工業大學和山形大學研究機構都投入到壓電陶瓷變壓器的研究和開發中。美國主要有賓州州立大學著名的SmartMaterials實驗室、德州儀器公司、Motolora公司，歐洲有德國西門子公司、荷蘭的Philips公司、法國的阿爾卡特公司、波蘭陶瓷研究所以及以色列、韓國的Tronix公司和我國臺灣的多家公司等都開展了壓電陶瓷變壓器研究和開發。
　　應用以升壓為主
　　從目前壓電變壓器應用的狀況看，主要是以升壓為主的多層片式壓電陶瓷變壓器用于液晶顯示器、靜電除塵器、小功率激光管和高壓電源等。日本NEC公司用多層片式壓電陶瓷變壓器用于手提電腦的液晶顯示屏。
　　壓電陶瓷降壓變壓器還處于研發階段。日本的Tokin制備了可用于AC-DC適配器的、工作頻率為180kHz、功率密度遠優于磁性變壓器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，NEC采用壓電d31振動模式獲得了140kHz的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器。它們都到了實用化的階段，目前正在我國臺灣組織生產。NEC公司制作的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器，器件尺寸為14mm×14mm×6mm，工作頻率為140kHz，20W輸出時的功率轉換效率為97%。這種變壓器與電磁式變壓器相比，無二次諧振波，因而不需要在AC-DC適配器中加上高次濾波電路。
　　NEC還開展了用于DC-DC轉換器的多層片式壓電陶瓷降壓變壓器研究，該變壓器利用厚度振動模式獲得了工作頻率為2MHz的降壓變壓器，20mm×20mm×2.2mm的功率轉換效率達到98%，功率密度35W/cc，比電磁式變壓器的功率密度20W/cc高，因此，日本NEC、ToKin、Mitschbishi等公司自1992年就聯合開展研究，雖然至今在國際刊物上發表的研究結果很少，但一直在加緊開發該變壓器。這種工作模式的降壓變壓器需用各向異性大的壓電陶瓷材料。深圳富康電子陶瓷公司最近已成功獲得了低溫(950℃)燒結的各向異性大的壓電變壓器陶瓷材料。
　　日本富士通最近利用LiNbO3單晶制備了15mm×15mm×0.5mm的小型壓電變壓器，工作頻率為4MHz，輸出功率達到了30W～40W。目前主要解決的是半導體電子元器件的整流電路的問題，一旦獲得解決，將在新一代的開關電源中獲得廣泛的應用。
　　丹麥Noliac公司報道的環狀壓電陶瓷變壓器功率密度為4/cm3，轉換效率達到98%，是至今報道的功率密度的最高值。新加坡南洋理工大學成功獲得多路輸出壓電降壓變壓器，在溫度升高20℃，能量轉換效率為90%時，最大的輸出功率達到了169.8W(一路輸出電壓為40.3W，另一路為129.5W)，是至今所見壓電變壓器最大的輸出功率。
　　德國最近報道了利用壓電陶瓷行波制備了壓電變壓器，其功率密度比目前使用的壓電駐波制備的變壓器提高了40%。
　　我國在低溫燒結壓電陶瓷變壓器材料和多層片式壓電陶瓷變壓器進行了長期的研究和開發。中國科學院上海硅酸鹽研究所獲得"十五"863項目的資助，與國內的有關單位合作，研制和開發了具有自主知識產權的多層片式壓電陶瓷變壓器，性能指標達到和超過國際上相關器件的水平，為我國在該器件的研究和開發提供了技術保證。
　　結構簡單尺寸小功率低無污染
　　壓電陶瓷變壓器應用優勢明顯
　　壓電陶瓷變壓器的工作原理是利用壓電陶瓷的正和逆壓電效應，它通過對壓電陶瓷體的電極和極化方向取向進行特點的設計，利用逆壓電效應使輸入端相連接的壓電陶瓷在電壓作用下產生機械振動，再通過正壓電效應使輸出端連接的壓電陶瓷產生電壓。當輸入和輸出端的阻抗不相等時，導致它們的電壓和電流也不相等，從而實現輸入和輸出端之間的電壓和電流大小變換的功能。
　　第一個壓電陶瓷變壓器是由美國的Rosen在1956年提出的，它具有升高輸出電壓的功能。變壓器的輸入電壓端稱為驅動部分，輸出電壓端稱為發電部分。驅動和發電部分的極化方向不同，前者沿著陶瓷單片厚度方向，后者沿著陶瓷單片的長度方向。陶瓷上的銀電極分別與輸入和輸出電壓相連接。當壓電陶瓷在驅動部分加上與壓電陶瓷橫向(長度方向)諧振頻率相同的交流電壓時，因壓電陶瓷的逆壓電效應，壓電陶瓷在長度方向產生機械共振，又因正壓電效應使輸入的電能轉換成機械能。
　　由于壓電陶瓷發電部分的長度大于驅動部分的厚度，輸入阻抗遠大于輸出阻抗，因而輸出電壓大于輸入電壓，成為升壓變壓器。這種結構的變壓器在數伏或數十伏的輸入電壓，可以獲得數千伏的電壓。
　　壓電陶瓷變壓器與電磁式變壓器相比，具有以下一些特點：結構方面很簡單，只有壓電陶瓷片，無電磁式變壓器的電繞線。外觀尺寸方面，器件幾何形狀呈扁平結構，尺寸小，可根據要求不同振動模式的變壓器，如長度或寬度振動的長方體壓電變壓器，徑向振動的圓柱體壓電變壓器。
　　環境方面，器件不可燃，不怕短路，對外界無電磁污染。工作頻率方面，工作在壓電陶瓷體的諧振頻率或高階振動頻率，它與壓電變壓器的外形尺寸有關。
　　負載特性方面，當負載阻抗發生變化時，它的諧振頻率將發生偏移，因此，壓電陶瓷變壓器的電壓和電流變比、功率轉換效率等隨負載阻抗而發生變化。
　　在低于陶瓷體諧振頻率時，壓電變壓器表現為電容特性，在高于諧振頻率以上表現為電感特性，只有在諧振頻率附近才為電阻特性(它對應著壓電陶瓷的機械共振)。所以，壓電陶瓷變壓器的工作頻率受諧振頻率的限制，具有一定的工作帶寬。
　　電磁式變壓器無工作帶寬的限制，頻率范圍寬，但是，由于電磁式變壓器是由繞線和磁性材料組成，主要表現為電感特性，所以，在低頻時輸入和輸出隨頻率降低而下降，為了制作低頻小功率的電磁式變壓器，必須增加繞線的電感，因而難以實現器件的小型化。
　　壓電陶瓷變壓器尺寸基本決定了器件的輸出功率。壓電陶瓷的功率密度為15W/cm3～20W/cm3。通常，制備輸出功率在10W以下的壓電變壓器比較適合，30W以上的相對比較少。
　　輸入電壓根據應用需求的輸入電壓大小確定器件的結構形式和機械振動模式。設計時應考慮壓電陶瓷在極化方向相反的高電場作用下易使壓電性能消失，因此，壓電變壓器必須考慮其安全的工作狀態。輸出電壓與輸入電壓相同，應當根據應用要求，確定壓電陶瓷變壓器的輸入電壓。
　　壓電陶瓷變壓器是在諧振狀態下工作，該工作頻率主要由器件的尺寸決定。所以，變壓器的結構和尺寸由實際需要的工作頻率決定。
　　由于壓電變壓器性能的頻率特性與負載有關，需根據應用要求的負載阻抗確定變壓器的輸出端的挾持電容，使變壓器有高的功率轉換效率。
　　功率轉換效率是指輸出功率和輸入功率之比。理想的壓電陶瓷變壓器的功率轉換效率可以接近100%。
　　壓電陶瓷變壓器小型薄片型結構是其主要的特點，因此，根據應用要求確定器件尺寸是其關鍵。
　　壓電陶瓷變壓器因在諧振狀態下產生發熱，通常確定壓電陶瓷的工作溫度須低于60℃。
　　壓電效應是指具有極性的陶瓷材料在外力作用下，它的兩個特定電極表面產生電荷。這種效應可以用壓電系數和機電耦合系數來表示。通常極化方向能隨外電場方向改變的鐵電材料具有大的壓電和機械耦合系數。壓電陶瓷是一種經高溫燒結后的多晶材料，它是由許多鐵電性微小晶粒組成。通過對燒結的陶瓷進行切割和磨片，得到所需尺寸的陶瓷片，在陶瓷的兩個表面上設置電極，在適當的溫度下極化后，獲得具有壓電性的壓電陶瓷。不同幾何形狀的壓電陶瓷有著不同的振動模式，它可以用不同的壓電和機電耦合系數表示。對于壓電陶瓷變壓器用的壓電陶瓷，應具有高的介電系數、壓電系數、機電耦合系數以及高的居里溫度、低的介電和機電損耗。
　　壓電陶瓷變壓器是在自由振動狀態下工作，因此，它比壓電陶瓷換能器中在預應力下工作的壓電陶瓷具有更高的機械強度。