自问世以来,电磁变压器一直在电力系统领域发挥着重要的作用. 然而,随着电子系统朝着微型化和集成化的方向飞速发展,传统的电磁变压器越来越不能满足需要,体积大、笨重、电磁辐射严重、效率低发热大,生产工艺复杂不适合批量自动化生产等缺点限制了它在很多领域的应用和发展. 压电变压器作为一种新型电子器件,以其自身良好的特点,解决了电磁变压器所面临的问题,符合目前电子系统的发展趋势,具有替代电磁变压器的潜力和良好的应用前景.美国科学家将电磁变压器到压电变压器的飞跃类比于真空电子管到半导体晶体管的革命.
压电陶瓷变压器是一种实现电能--机械能--电能转换的新型元件.压电陶瓷变压器的工作原理是利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应,它通过对压电陶瓷体的电极和极化方向取向的不同进行设计,利用逆压电效应使输入端相连接的压电陶瓷在电压作用下产生机械振动,再通过正压电效应使输出端连接的压电陶瓷产生电压.其主要器件压电陶瓷片是用四轴飞行器非金属材料经高温烧结和高压极化等一系列工艺而制成的新型功能陶瓷材料.与传统电磁变压器相比,压电陶瓷变压器最主要的优点有:
1. 能量转换效率高.传统电磁变压器的能量转换效率约为65~80%,而压电变压器通常具有85%以上的转换效率,很大程度上减少了能源的浪费,符合我国节能减排的政策.
2. 能量密度大.压电变压器单位体积的能量输出比电磁变压器大4倍以上,使得压电变压器可以做的很小很薄.将其应用在电子产品上可以极大减小体积,提高集成度.
3. 不会向外辐射电磁波,避免对其他元器件干扰,同时也不会受到外界电磁辐射的干扰.压电变压器通过机械振动传递能量,振动频率高,振动幅度小,不会产生人耳听到的噪音.压电变压器被誉为绿色变压器,可以降低电磁辐射污染.
4. 和电磁变压器相比,压电变压器由陶瓷和少量金属电极组装而成,极大的节约了贵金属资源;同时重量轻,符合在航天领域应用的要求.
5. 环境适用性强,比电磁变压器适用温度范围更宽;耐高湿;耐酸碱,不会霉变;使用寿命比电磁变压器更长.
6. 和电磁变压器相比,压电变压器材料成本低,结构简单,适合大批量的自动化生产.
7. 压电变压器属于谐振器件,其本身具有很好的滤波功能,其输出为纯净的正弦波.将其应用于电子镇流器可以极大提高灯泡使用寿命和发光效率;将其应用在电源产品,可以降低输出电压的波动.
8. 和电磁变压器相比,压电变压器很容易实现输入输出之间很高的电压隔离强度,保证使用安全.高电压隔离的电磁变压器会极大增加电磁变压器的整体体积,同时需要采用复杂的防护措施;而压电变压器很容易实现输入输出之间的电压隔离,同时压电变压器整体体积增加很少,非常适合医疗器械和仪器仪表上的使用.最早问世的压电变压器由美国人C. A. Rosen于1956年发明.目前, Rosen型压电变压器已经市场化, 应用在静电复印机高压电源、负离子发生器、小功率激光管电源、警用电击器高压电源、液晶显示背景光源等场合.压电变压器取得最大的商业成功发生在上世纪80年代,很多日本公司,例如NEC, Tokin, Tamura, Matsushita,在传统压电变压器的材料方面取得突破,并开发出可靠的生产工艺,驱动电路和器件封装方式.2000年,仅液晶显示背景光源一项,取得了20亿美元的销售收入,而且保持每年大于10%的增长速度,目前的市场容量高达25~30亿美金.由于Rosen压电变压器的输出功率小(小于10W)且只能用于升压变换的场合,使得其应用受到很大局限.而大功率压电变压器可以应用在电力电子行业的各个领域,作为必备的电子元器件,每年对高频变压器的需求数以亿计,其市场容量非常庞大.我国具有发展压电变压器产业得天独厚的优势.首先,丰富的原材料资源,相对低廉的价格以及为数众多的压电片生产厂商,极大的降低了压电变压器的材料成本;其次,世界领先的压电材料研发水平保证了压电变压器的优秀性能;再次,国内的广泛的市场资源和需求为压电变压器的应用提供了保证.从Rosen压电变压器发明到上世纪80年代,由于压电材料在功率和可靠性等方面的原因,PT 的发展曾一度停滞不前.近年来,随着信息处理设备和通讯设备日益小型化的发展,电源设备小型化的需求越来越高,加之功能陶瓷材料的迅猛发展,PT 的上述优点重新得以重视,国际上的许多大公司和研究机构如Motorola、Philips、NEC、Epson、Tokin、SIEMENS、和TI 均对PT 的材料制备、新型结构设计及器件性能进行深入研究.目前对于压电变压器的研究和应用,美国和日本出于领先地位,并掌握着大多数压电变压器相关的专利.美国将压电变压器主要应用于空间领域.近年来,在NASA和DARPA资金支持下,分别进行了以下研究:
1. 基于压电变压器的高压供电电源:用于驱动卫星通讯系统的有效负载,行波管(NASA)
2. 基于压电变压器的分布式供电系统,用于NANO卫星(DARPA)
3. 基于压电变压器的集成点火系统,用于NANO卫星的推进器(NASA)
同时在CPES(美国国家电力电子研究中心)的资助下开发了基于压电变压器的电子镇流器和电源.日本将压电变压器主要应用于消费电子领域,包括笔记本,PDA和手机的液晶背光电源,笔记本适配器,充电器和电源产品.90年代中后期,丹麦,英国,法国,西班牙,新加坡以及中国台湾相继开展了压电变压器的研究.
我国也较早开展了压电变压器研究.早在60年代,清华大学材料学院的李龙土院士就开始对Rosen压电变压器的研究,并开发出了多层独石结构的产品,于90年代后期在西安康鸿公司实现了产业化,目前已经实现了基于Rosen压电变压器液晶背光电源的商品化.当前压电变压器发展朝着微型化和大输出功率的方向发展.利用压电变压器高功率密度,可以开发出适用于MEMS系统的压电变压器.而将压电变压器应用于功率电子方面,需要其输出阻抗低,功率控制能力强,高效率和降压变换.Rosen型压电变压器远不能满足这些要求. |
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