CN101681992B - 具有初级调节装置的压电转换器及对应的压电变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有由压电陶瓷组成的多层结构的电压换能器，即所谓的压电变压器。本发明还涉及一种开关电源，其包含这样的压电变压器作为压电转换器的一部分。按照本发明的压电变压器包括：初级侧的电极装置(102)，其与初级侧的电压相连；次级侧的电极装置(104)，在其上可以量取次级侧的电压；辅助电极装置(106)，用于产生与次级侧电压成比例的辅助电极电压，其中，该辅助电极装置(106)通过至少两个彼此相对设置的平面电极形成。具有至少一个这样的压电变压器(100)的、用于开关电源的电路装置包括调节电路(114)，其中，所述辅助电极电压作为用于调节所述开关电源的输出电压的调节参数被传输到调节电路(114)。

Description

具有初级调节装置的压电转换器及对应的压电变压器

技术领域

本发明涉及一种具有由压电陶瓷组成的多层结构的电压换能器、即所谓的压电变压器。此外本发明还涉及一种开关电源，其包含作为压电转换器的一部分的这样的压电变压器。

背景技术

基于卷绕线圈的电磁变压器在过去通常用于产生高压、也用于产生低压。这样的电磁变压器具有缠绕在铁磁材料构成的铁芯上的电导体。因为对于大的电压传输比来说需要大的匝数，所以具有足够效率的电磁变压器通常很难以小的形式制造。此外电磁变压器在高频应用中特别是由于磁性材料具有许多缺陷，例如磁滞损耗的增加、涡流损耗或者导体中的集肤效应损耗。这些损耗将磁变压器实际上可实现的频率范围限制在大约500kHz。

为了克服电磁变压器的该问题和其它问题，开发了使用压电效应的压电陶瓷变压器，通常称为PT。与电磁变压器不同，压电变压器具有输出电压与输入电压比的精确限制的频率特性，其中最大值位于谐振频率中。该谐振频率取决于材料常数和材料厚度以及取决于整个变压器和压电材料以及采用的电极。

与公知的电磁变压器相比，压电变压器具有许多优点。特别是在相似的变压比的情况下可以将压电变压器构造得远远小于电磁变压器。此外可以将压电变压器构造成不可燃的并且不会产生电磁感应的噪声。

用于压电变压器的陶瓷体可以不同的形式和结构来实现，例如作为环形、平板等。例如在专利文献US 6362559、US 6346764或者US 6326718中描述了压电变压器的不同结构形式。一种公知的压电变压器结构包括具有圆形结构的压电陶瓷片，其中在陶瓷片的一个或两个面上设置分段的电极。

从US 2830274公知一种以不同的实施方式存在的所谓的“罗森(Rosen)型”的压电变压器。典型的罗森型-PT包括平的陶瓷板，其长度远大于宽度并且宽度远大于厚度。在此压电变压器相对磁变压器的优点特别明显。如已经提到的，压电变压器的结构比磁变压器更紧凑并且作为其它优点具有更简单的可扩展性和更小的功率。

在公知的压电变压器中使用具有不同的分块的初级和次级电极的多层电极设置，如在图1中示意性示出的。

特别是结合开关电源，这样的压电变压器提供用于最小化这样的开关电源的尺寸的吸引人的潜力，这一点特别对便携式设备是特别有意义的。

对于小功率范围、即低于100瓦，特别是低于10瓦功率范围中的电流供应，目前主要采用开关电源代替旧的50Hz线性供电设备。在此开关电源技术的优点首先在于，与线性设备相比减小的结构尺寸和减小的设备重量。

在压电变压器中借助机械振动将能量从初级侧传输到次级侧。压电变压器由合适的陶瓷制造并且具有初级侧和次级侧的电极区域，如在图1中示意性示出的。

对开关电源的输出电压和输出电流通常独立于变压器的类型来调节，即输出电压不取决于待供电的负载并且直到最大电流都是恒定的。在超过最大负载时或者在短路的情况下，电流保持恒定并且由此被限制。通常在小功率范围内调节的开关电源由于成本的原因而在初级侧进行调节，即调节装置位于开关电源的初级侧。

在专利文献DE 10259088中描述了这样的具有压电变压器的开关电源。在此，在变化的负载上的输出电压通过改变工作频率和接通-断开持续时间比而保持恒定。为此将关于输出电流的信息从次级侧传输到初级侧。为了遵守相关的标准，该传输必须电分离地进行，并且通常使用具有相应外围电路的光耦合器。

在专利EP 1146630和EP 1211794中描述了具有磁换能器的初级侧调节的开关电源，其中输出电压借助脉宽调制保持恒定。借助在换能器变压器上的附加的绕组装置获得关于输出电压高度的信息。在该公知的调节电路中在辅助绕组上可以量取与输出电压成比例的辅助电压。辅助绕组与开关电源的初级侧对应，由此不需要借助光耦合器的附加的电分离的传输或者从次级侧的信号传输。这减小了组件的数量并且导致极大的成本节省。然而，这些公知的初级侧控制的开关电源总是包含具有上面提到的所有缺陷的电磁换能器。

发明内容

由此本发明要解决的技术问题是，提出一种压电变压器，其可以用于具有专利文献EP 1146630和EP 1211794的工作原理的初级侧控制的开关电源中。此外本发明要解决的技术问题是，提供一种用于这样的开关电源的对应的控制电路。

本发明通过独立权利要求的主题解决上述技术问题。本发明的优选扩展是从属权利要求的内容。

在此，本发明基于如下思想：与利用辅助绕组的电磁传输相比所提高的电路开销可以通过如下来避免：通过压电变压器本身来传输关于输出参数、即关于输出电压的信息。

在具有压电换能器的开关电源中可以通过改变工作频率来进行输出电压的调节。如果远离压电变压器的谐振频率，则减小了传输到次级侧的能量。为了闭合调节电路，必须将调节参数、在这种情况下例如是开关电源的输出电压，电分离地传输到开关电源的初级侧的调节装置。按照本发明，这通过如下来实现：将另一个电极装置、即所谓的辅助电极装置，附加于初级和次级电极装置集成在压电变压器中。按照本发明的优选扩展，辅助电极装置位于压电变压器的初级侧。由此可以将量取的电压直接而不需电分离地传输到调节器。

在附加插入的电极对上，量取与输出电压成比例的信号，该信号可以被用作对于设置在初级侧的调节装置的调节参数。

按照本发明的另一个优选实施方式，将在辅助电极装置上量取的电压传输到滤波器、特别是实施为低通滤波器的滤波器，使得只有压电变压器的基波可以通过。以这种方式可以过滤出可能被激励的谐波，从而改善输出电压和在辅助电极装置上量取的调节电压之间的比例。

在附加的辅助电极装置上量取的电压独立于这些电极的间隔并且此外与压电变压器内的机械压力成比例。机械压力在压电变压器的整个几何长度上不是恒定的，而是通过正弦函数描述。由此，用来激励压电变压器的频率的变化也会导致机械压力在压电变压器长度上的分布的变化。由此具有优势的是，将辅助电极置于如下位置上：在该位置上机械压力仅以小的值波动，即例如在末端的边界范围中波动。

按照本发明的优选扩展，在附加的辅助电极装置上量取的电压可以被用于在初级侧设置的调节装置的能量供应。在此将电极的面积和由此该附加的电极装置的电容与调节装置的能量消耗相应地匹配。

附图说明

为了更好地理解本发明，借助在以下的附图中示出的实施例详细解释本发明。在此相同的组件具有相同的附图标记和相同的组件称号。此外还可以示出对于独立的、发明的或者按照本发明的解决方案示出的和描述的不同实施方式的若干特征或特征组合。其中

图1示出了具有初级侧和次级侧的电极区域的压电变压器的示意图；

图2示出了具有在初级侧上的附加电极装置的压电变压器；

图3示出了具有按照本发明的压电变压器的开关电源的控制电路以及调节电路的框图；

图4示出了具有按照本发明的压电变压器的开关电源的控制电路的另一个实施方式。

具体实施方式

以下参考图2详细解释按照本发明的压电变压器100。如已知的，该压电变压器100包括由压电材料组成的基体108。初级侧电极102将初级侧电压或者输入电压(参见图3和4)经过压电效应转换为机械振动。

由于在次级侧电极104上的机械振动，在次级侧上形成转换的输出电压，在此输出电压可以是比输入电压高或低的电压。这就是说，压电变压器100的工作方式可以作为双重的换能过程来理解，在该换能过程中，第一压电换能将电能转换为机械能并且反向换能将机械能转换为电能。如在US 2830274中提到的，在此，机械能从压电体108的与输入电极共同作用的第一区域被转换到压电体的与输出电极共同作用的第二区域。

按照本发明，在图2中示出的压电变压器具有附加的电极装置106，其利用如下事实：提到的电磁换能过程也在相反方向上进行。这就是说，在附加插入的电极对106上量取与输出电压成比例的信号，该信号在开关电源的应用中可以被用作对于在初级侧设置的调节装置的调节参数。

在图3中示出了用于按照本发明的压电变压器100的控制电路以及对应的调节电路的框图。在此输入电压施加在输入接线柱110上。此外，输入电压还与初级侧的电极102相连。开关112，例如晶体管，由调节器114控制。按照本发明，在附加的电极装置106上量取的辅助电压作为调节参数被传输到调节器114。调节器114分析该信号并且相应地控制开关112。在次级侧的电极104上可以量取转换的输出电压，将其在整流器116中整流并且输出到负载118。

在此处示出的特定实施方式中，附加的电极装置106位于压电变压器100的初级侧。由此量取的电压可以直接而不需电分离地传输到调节器。在具有压电转换器100的这样的开关电源中，对输出电压的调节通过改变工作频率来进行。也就是，如果远离压电变压器100的谐振频率，则减小了传输到次级侧的能量。

在图4中示出了按照本发明解决方案的另一个实施方式。在此，在附加的电极装置106上量取的电压和调节器114之间还连接一个滤波器。该滤波器120实施为低通滤波器，从而只有压电变压器100的基波可以通过滤波器120。被激励的谐波被过滤出，由此在输出电压和在附加的电极装置106量取的辅助电压之间的比例关系得到改善。

在附加的电极装置106上量取的辅助电压取决于这两个电极互相之间的距离。此外该辅助电压还与压电变压器100内的机械压力成比例。在压电变压器100的整个几何长度上，该机械压力不是恒定的，而是通过正弦函数来描述。由此，用以激励压电变压器100的频率变化，导致机械压力在压电变压器100的整个长度上的分布发生改变。由此具有优势的是，将辅助电极106置于如下位置上：在该位置上机械压力仅以小的值波动。这例如可以在压电变压器的末端区域中。

按照另一个优选实施方式，在附加的辅助电极装置上量取的电压此外还用于设置在初级侧的调节装置114的能量供应。为此，电极106的面积和由此该附加的电极装置的电容与调节装置114的能量消耗相应地匹配。

由此，按照本发明的具有反向耦合电极的压电变压器使得关于输出电压的高度的信息从次级侧到初级侧的简单传输是可能的。通过经过压电变压器来传输关于输出电压的信息，可以弃用包括开销大的外围电路的光耦合器。由此可以在小空间并且以最少的组件实现具有包括初级调节装置的压电变压器的开关电源。

Claims (4)

1.一种用于从输入电压提供调节的输出电压的开关电源，包括：

压电变压器，包括连接到初级侧电压的初级侧电极、连接到次级侧电压的次级侧电极，和辅助电极，用于产生与次级侧电压成比例的辅助电极的电压，该辅助电极(106)通过至少两个彼此相对设置的平面电极形成；

包括第一端子、第二端子和第三端子的开关，其中所述开关经由第一端子和第二端子耦合到初级侧电极，但是所述开关不经由开关的第三端子直接耦合到初级侧电极；

用于整流来自次级侧电压的输出电压的整流器；和

直接连接到开关和连接到辅助电极的电压的调节器，其中辅助电极的电压包括传输到该调节器的调节量信号，作为用于调节所述开关电源的输出电压的调节参数，从而调节器将控制信号输出到开关，以控制开关使得所述输出电压按照所述调节量信号被调节，并且

其中，所述控制信号在没有来自于初级侧电极的反馈的情况下通过开关接收。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其中，所述辅助电极被置于所述压电变压器的末端区域。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其中，所述末端区域在所述压电变压器的初级侧上。

4.根据权利要求1所述的开关电源，还包括连接在所述辅助电极的电压和调节器之间的用于使得压电变压器的基波通过的低通滤波器。