Rosen型压电陶瓷变压器等效电路模型测试与性能分析

简越 李东杰 曹玉琳 汪能

摘要 脉冲功率技术能产生强电流脉冲信号，该信号可广泛用于航天、武器系统的点火设施当中，而该脉冲信号的产生依赖于高压变换器的存在。新型的压电陶瓷变压器不同于以往的绕线式电磁高压变换器，具有抗电磁干扰能量、高转换效率、小体积、轻重量等优点。因此对压电陶瓷变压器进行性能研究具有较高战略意义。本文围绕Rosen型压电陶瓷变压器，从机电等效网络的角度切入，推导其等效电路模型，并进行了性能试验测试，结果显示良好。

【关键词】脉冲功率技术 压电变压器 机电等效网络 等效电路模型

1 引言

脉冲功率技术是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效釋放给负载的新兴科技领域。其产生的高功率大脉冲常用于航天、武器等点火系统。典型的脉冲功率系统的组成框图如图1。最基本的系统由两个部分组成：一部分由低功率水平的能量储存系统;另一部分是高功率脉冲的产生和有效传输到负载。通常使用高压变换器对大容量电容器组充电以储存能量。

传统的高压变换器通常采用的是单端反激变换器。单端反激变换器由于其良好的输出特性，较少的绕组匝数便可获得较高的电压等优势，被广泛用于电压变换。但是由于工作在断续模式下的反激变换器其初级电流的峰值较大，在开关管关断瞬间会产生一个较大的电压尖峰，造成很严重的射频电磁干扰问题。除此之外单端反激变换器属于绕线式电磁变压器，其存在趋肤效应损耗、铜损和铁损，而且这些损耗随着变压器体积的减小而迅速增加，严重影响高压变换器的小型化。因此，考虑选择更为高效、安全、可靠的高压变换器一一压电高压变换器用于脉冲功率系统中的能量变换。

压电材料是一种具有高功率密度、较低功率消耗、极具稳定性、快速响应特性等多种物理特性的材料，可以被广泛应用于各类传感器和换能器当中。由压电材料制作而成的压电陶瓷变压器不同于普通一般的绕线式电磁变压器，避免了通过电磁耦合的方式传递能量，直接利用机电耦合，经过电能转化为机械能再转化为电能的形式实现能量传递。具有良好的抗电磁干扰能量、高转换效率、小体积、轻重量等优点，在近年来被广泛应用在DC/DC转换器、电子镇流器、逆变电路、AC适配器、冷阴极荧光灯等各个领域。

因此，开展压电高压变换器技术研究，可以实现高压变换器的小型化设计，提高其工作可靠性、电磁兼容性，是一项值得探讨和研究的领域。

2 压电变压器等效模型推导

通常采用求解压电方程的形式推导等效电路模型，本文通过机电等效网络的方式进行推导。如图2所示。

对于一个机电六端网络，选用速度U1，U2和电流I为自变量，力F1，F2和电压V为因变量，则其传输方程为：

压电变压器由压电驱动器和压电换能器两部分组成，每一部分都可以看做一个压电振子。根据Rosen型压电变压器工作原理，我们可以把每一部分压电振子看做是薄片型长度伸缩振动。Rosen型压电变压器薄长片压电振子示意图3、4如下。

取d 31≠O的压电晶体的zx切割晶片，长度1沿x方向，宽度lw沿y方向，厚度L沿z方向，且有1口lw，考虑到电极面为等位面，于是得到Rosen型压电变压器压电振子的压电方程：

比较以上两式可得，在谐振频率附近分布参数形式的等效阻抗可以用集中参数形式的等效阻抗来代替。并考虑到机械损耗，则在分

故此，得到Rosen型压电变压器压电振子的等效电路参数。

压电变压器是有压电驱动器和压电换能器两个压电振子组合而成，考虑到Rosen型压电变压器的纵向结构，结合上文推导的单一薄片型压电振子的等效参数则可得出其Rosen型压电变压器的等效电路的模型如图7、图8。

于是即有：

3 压电变压器等效参数实验测试与性能分析

采用LCR电桥测试法测试压电变压器的相关等效参数。在低频或者静态直流下测得C01，，C02，使得PT的输出端短路，调节LCR表的频率使得输入阻抗的相位角为零时，测量得到的输入阻抗即为R的值。实验所用仪器为AT2816B精密LCR数字电桥仪，样品采用H22805Cl型号的压电变压器。材料参数如表1所示。

结合上诉材料参数，代入到相关公式当中，得出Rosen型压电变压器等效电路中的各部分元件的理论值。与测量得到实验数据对比如表2。

如图10所示，可以发现压电陶瓷变压器的理论值和测量结果之间存在一定误差，但是误差范围在{-15%，15%）之间。分析误差可能的几种因素大致有：

（1）尺寸误差;

（2）压电陶瓷材料的参数误差;

（3）两个压电振子之间的粘合剂及引出电极所产生的格外机械损耗。

但是误差在可接受范围内，故在分析rosen型压电陶瓷变压器时采用推导等效电路模型。

对rosen型压电陶瓷变压器的带载特性进行分析。选择实验压电变压器样本4进行带载实验，在20V输入电压的条件下，选择谐振频率为120KHz，分别测试不同负载下的输出功率曲线如图11。

从图形中可以看出，随着负载的增加，谐振频率下输出功率会随之而变化，呈现一个先增长后减小的趋势，因此存在一个最大值，即为输出负载与阻抗匹配时输出功率最大，当负载过大时（>3M）时输出功率已经非常小了。

4 结语

本文针对rosen型压电陶瓷变压器通过机电六端口等效网络的方式推导了压电振子和压电变压器的等效电路模型，并进行了实验验证。实验证明该等效电路设计实验结果与理论推导大致吻合，故可以用此等效电路模型进行压电变压器的电路设计和仿真。同时对压电陶瓷变压器的负载性能进行了实验，验证其存在一个最佳负载，超过其最佳值后输出功率随负载值增大而减小。

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