壓電陶瓷變壓器原理

　　壓電陶瓷變壓器是通過電能---機械能---電能的二次能量轉換，實現低電壓輸入，高電壓輸出的新型貼片器件。它的基本結構根據形狀、電極和極化方向有多種形式，其中以長條片型結構的壓電變壓器最為常用，它的結構簡單、制作容易，并且具有較高的升壓比。

　　與傳統的電磁式變壓器比較，壓電陶瓷變壓器所用的材料、產品的結構、工藝技術及工作原理均不相同。電磁式變壓器所用的主材是磁性材料和導電材料，分別用作結構的磁心和繞組，其能量變換形式是電—磁—電。而壓電陶瓷變壓器所用的主材是二元系壓電陶瓷材料（PZT）如鋯鈦酸鉛，三元系壓電陶瓷材料（PCM、PSM）——即在PZT基礎上添加其它元素以及四元系壓電陶瓷材料（PMMN）等。經高溫燒結和高壓極化而制成產品，其能量變換方式是電—機—電。由此可見，電磁式變壓器的能量變換按其結構形式需要在一個正交的立體空間完成，而壓電陶瓷變壓器可以在一個平面內進行能量變換，因此，壓電陶瓷變壓器容易設計成片式化結構。

　　壓電陶瓷變壓器的工作原理是利用壓電陶瓷材料的特性——正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應就是這種材料在力的作用下（或變形）產生電荷或電壓，而逆壓電效應就是施加電壓時，該材料產生變形或振動。壓電陶瓷變壓器的工作原理，就是利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效應特性，通過對壓電陶瓷體的電極和極化方向取向特點進行設計，利用逆壓電效應使與輸入端相連接的壓電陶瓷體在電壓作用下產生機械振動，再通過正壓電效應使與輸出端連接的壓電陶瓷體產生電壓。當輸入端和輸出端的阻抗不相等時，則導致其兩端的電壓和電流也不相等，由此實現輸入端和輸出端之間電壓與電流大小變換的功能。

　　壓電陶瓷變壓器結構

　　壓電陶瓷變壓器采用壓電材料， 利用機電轉換特性， 配合元件的振動部分、 發電部分電機， 進行極化設計， 由輸入電壓使壓電片處于共振狀態， 再由正壓電效應， 將高應變轉化成電壓輸出， 從而達到變壓的效果。

　　圖1為其長條片型一體化結構簡圖， 采用特殊壓電陶瓷材料 （如改性鋯鈦酸鉛或鈮鎂鋯鈦酸鉛） ，經高壓力成型、 高溫燒結和高壓電場極化等一系列工藝制成。

　　壓電陶瓷變壓器基于正逆壓電效應， 在機電能量二次轉換過程中， 通過體內阻抗變換升壓。當壓電變壓器輸入端 （驅動部分） 加入一定頻率的交變電壓， 由于逆壓電效應， 使壓電變壓器產生沿長度方向的伸縮振動， 輸入端的電能轉換為機械能。在發電部分， 由于存在縱向振動， 通過正壓電效應， 機械能轉換為電能， 使輸出端有高電壓輸出。

　　因壓電陶瓷變壓器的反射阻抗隨負載阻抗的減小而增加， 這個特性在高壓應用時極為重要。當負載短路或高壓放電時， 陶瓷變壓器的輸入阻抗迅速增加， 保證變壓器及外圍電路不至燒毀。因此， 使用壓電陶瓷變壓器， 電源無需另設短路保護電路。

　　壓電陶瓷變壓器的用途

　　小、薄、輕型化產品：由于壓電陶瓷變壓器具有以上所概括的一些特點，所以適合用于以電池供電的消費類電子產品，如蜂窩電話、筆記本電腦、折疊式計算機、攝錄一體化VTR、PAD等產品的電源系統。

　　需要用極高電壓、小電流供電的特種設備如雷達、靜電復印機、靜電除塵器等電源系統。

　　液晶顯示器（LCD）（包括LCD照明） 背面照明用壓電逆變器。因為LCD要求具有高的輸出功率、傳輸效率，且要求結構上低高度、重量輕。同時，因為背面照明冷陰極熒光燈的特點：點燈前的阻抗大，必須供給高電壓，點燈后阻抗變小，電壓就下降。壓電陶瓷變壓器逆變器的特性正好可以與此相匹配。

　　用于電池性能、尺寸和重量均受到嚴格限制的自供電系統中，如汽車、直升飛機、航空航天器、衛星、聲納、醫療設備等使用的壓電制動驅動系統。這些設備的供電一般要求為100V~1000V，這與普通電池的9V~24V的供電大不相同，而壓電陶瓷變壓器則可實現這個指標。

　　總之，壓電陶瓷變壓器的應用領域非常廣泛。