CN101753038A

CN101753038A - 压电变压器及其驱动器

Info

Publication number: CN101753038A
Application number: CN 200810227956
Authority: CN
Inventors: 武彬; 都金龙
Original assignee: China Electronics Weihua Co Ltd
Current assignee: Beijing Newlighting Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明涉及一种压电变压器的驱动器，包括由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络，用于将方波输入转变为正弦波输入。本发明没有使用电感，可以极大的减小压电电源的体积大小。同时，由于压电陶瓷片和压电变压器使用同样的材料制备，具有相同的温度特性，避免了由于温度变化导致的变压器滤波网络与变压器发生失谐的问题，极大的提高了压电电源的可靠性，且在不同的温度下能保证压电变压器的正常工作。

Description

压电变压器及其驱动器

技术领域

本发明涉及机电领域，尤其涉及一种用于压电变压器的驱动器，以及设置了该驱动器的压电变压器。

背景技术

随着电子技术的发展，晶体管和集成电路得到了广泛的应用。这不仅使电子设备的尺寸、重量、价格、耗电量都显著下降，而且能大大提高电子设备的可靠性。由于线路的小型化，变压器的尺寸和重量在电子设备中所占的比例显著增长。为了适应线路发展的需要，就必须有新的器件来代替电磁变压器，压电变压器就是这类器件之一。

压电变压器是能够变化电压和电流的固体器件，也可以认为是一个机电变化系统。它没有线圈，有一种具有压电性能的特殊晶体或陶瓷制成。在它的输入端，电信号变换为机械振动。在它的输出端，机械振动又重新变为电信号。电能和机械能之间的来回变换是靠正压电效应和逆压电效应实现的。因此，压电变压器的参数可以借助于电的或机械的作用来控制。

像电磁变压器那样，压电变压器可以变换阻抗、电压或电流信号，使输入信号倒相，把来自一个信号源的信号传输到几个电路，或者把来自几个电路的信号合成为一个信号。由于压电变压器的工作原理完全脱离了电磁感应定律，它还有一系列电磁变压器所没有的特殊功能。因此，压电变压器不仅可以用在整流、放大、振荡等一般线路中，还可以用作调制器、倍频器、分频器、混频器、检波器、平方函数发生器、记忆元件、引爆装置等。

尺寸小、结构简单、不可燃、耐辐射、高可靠性等优点，是压电变压器获得广泛应用的主要原因。目前已经广泛应用于负离子发生器、液晶显示背光电源、电子镇流器和电源等。随着压电变压器技术的发展，大功率压电变压器已经实现了商品化。将压电变压器应用于功率电子(Power electronics)领域被认为是最有潜力的发展方向。和传统的功率电子产品相比，基于压电变压器的功率电子产品，具有很多优点，例如体积小，重量轻、纹波噪音小、高隔离、可靠性高和很好的电磁兼容性等。

压电电源可以从传统的模块电源借鉴很多驱动器拓扑和控制方式。在驱动器方面，压电变压器可以使用半桥、全桥、推挽、D类放大器、E类放大器和直流谐振环等驱动方式。在控制方面，可以沿用开关电源中的PWM、PFM、PWM加PFM以及锁相环控制等手段。

但是，其中压电变压器的驱动方式对压电变压器的正常工作起到了极大的限制作用。一般来讲，压电变压器需要一个纯净的正弦波输入来保证高效的能量传递。压电变压器具有很好的滤波特性，其输出为标准的正弦波。如果输入的为非正弦波，压电变压器会吸收掉信号的高次谐波，同时导致变压器的效率下降以及工作温度升高。因此，压电变压器的工作情况和输入波形有着密切的关系，波形偏离正弦波越严重即谐波成分能量越高，变压器的效率越低。压电变压器的各种驱动总是千方百计的改善输入波形的畸变。

现有压电变压器的驱动方式主要有三种，如图1所示，其中图1(a)是推挽(push-pull)驱动方式，图1(b)是半桥(half-bridge)驱动方式和图1(c)是E类放大器(type E)驱动方式。其原理也都是将MOS产生的方波尽量滤成正弦波。上述驱动方式由于在电路中多少都使用了电感，导致了压电变压器的电源整机的体积较大，和压电变压器的温度特性不同(使得不同温度下滤波效果有所差异)以及由于电感产生的一些电磁干扰问题等。减少电感的使用是目前压电变压器驱动研究的一个方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中电源整机体积较大、电磁干扰等问题，提供一种压电变压器及其驱动器，通过使用压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络，将方波输入转变为正弦波输入。

为了实现上述目的，本发明提供了一种压电变压器的驱动器，包括由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络，用于将方波输入转变为正弦波输入。

进一步地，所述压电陶瓷滤波网络的拓扑结构为“Γ”、“T”或者“∏”型。

进一步地，所述压电陶瓷滤波网络由一个外径与压电变压器相同的压电陶瓷片构成。

进一步地，所述压电陶瓷片的外径为26mm。

进一步地，所述至少一个压电陶瓷片的材料与压电变压器所采用的材料相同。

进一步地，所述驱动器集成在所述压电变压器中。

进一步地，所述压电陶瓷滤波网络的等效电路是电容、电感和电阻串联后与另一电容并联的电路。

本发明还提供了一种压电变压器，包括方波发生器，还包括驱动器，该驱动器包括用于将所述方波发生器产生的方波输入转变为正弦波输入的，由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络。

因此，本发明没有使用电感，可以极大的减小压电电源的体积大小。同时，由于压电陶瓷片和压电变压器使用同样的材料制备，具有相同的温度特性，避免了由于温度变化导致的变压器滤波网络与变压器发生失谐的问题，极大的提高了压电电源的可靠性，且在不同的温度下能保证压电变压器的正常工作。

附图说明

图1(a)为现有压电变压器的推挽(push-pull)驱动方式；

图1(b)为现有压电变压器的半桥(half-bridge)驱动方式；

图1(c)为现有压电变压器的E类放大器(type E)驱动方式；

图2为本发明驱动器所采用的压电陶瓷片阻抗相位曲线；

图3为本发明驱动器所采用的压电陶瓷片的等效电路；

图4为设置了本发明驱动器的压电变压器的示意图；

图5为设置了本发明驱动器的压电变压器的等效电路图；

图6为通过示波器监视到了压电变压器的输入电压波形；

图7示出了本发明压电陶瓷滤波网络的Γ型；

图8示出了本发明压电陶瓷滤波网络的T型；

图9示出了本发明压电陶瓷滤波网络的∏型。

具体实施方式

本发明的主要思想是利用压电陶瓷片自身的滤波特性，同时将不同设计的压电陶瓷片组合成一定的带通滤波网络(也即下文中的压电陶瓷滤波网络)来实现由周期方波信号到正弦波信号的转变。

本发明提供一种压电变压器的驱动器，包括由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络，用于将方波输入转变为正弦波输入，从而来保证压电变压器的正常工作以及极大地减小压电电源的体积大小。这是因为本发明提供的压电变压器的驱动器中没有使用到电感这一实际的器件，从而很大程度上减小了压电变压器的压电电源的体积大小。并且由于压电变压器的工作情况和输入波形有着密切的关系，波形偏离正弦波越严重即谐波成分能量越高，压电变压器的效率越低。但是，本发明提供的压电变压器的驱动器由于可以将输入的方波信号转换成正弦波信号，消除了谐波成分，从而使得压电变压器工作稳定。

下面通过附图和具体的实施方式对本发明技术方案进行详细说明。

如图2所示，为本发明驱动器所采用的压电陶瓷片阻抗相位曲线。曲线1代表阻抗的变化，曲线2表示相位的变化。从该图2中可以看出，存在一个阻抗最小的频率点A和一个阻抗最大的频率点B。以上现象，可以参见图3，为本发明驱动器所采用的压电陶瓷片的等效电路，该压电陶瓷滤波网络的等效电路是电容、电感和电阻串联后与另一电容并联的电路。由于驱动器采用的是压电陶瓷片，虽然在其等效电路中也存在电感，但是并非实际用到了电感器件，而压电陶瓷片的尺寸比电感器件要小很多，因此本发明了极大地减小了压电变压器的尺寸。

由图3可以看出，存在两个谐振点即串联谐振频率和并联谐振频率。在串联谐振频率点具有最小的阻抗，在并联谐振点具有最大的阻抗。在串联谐振频率附近，瓷片的阻抗较小，能量容易通过且损耗较小。在并联谐振点频率附近，瓷片的阻抗变的非常大，此时能量通过时损耗非常大。众所周知，方波是由多个不同频率的正弦波叠加而成，对于压电变压器，只希望方波的基频信号输入，而高次谐波信号通过压电陶瓷滤波网络去除。利用压电陶瓷片的这种特性，针对不同型号的变压器，通过一定的匹配，使得变压器的输入端得到一个准正弦波输入，而其他的谐波能量在滤波网络上被去除。即压电变压器的驱动器可以由一个或多个压电陶瓷片组成的压电陶瓷滤波网络构成。因此，本发明消除了谐波成分，从而使得压电变压器工作稳定。

下面举例说明，如图4为设置了本发明驱动器的压电变压器的示意图，如图所示将压电陶瓷滤波网络设置在方波发生网络和压电变压电器之间。而图5是设置了本发明驱动器的压电变压器的等效电路图。在图中仅示出了驱动器由一个压电陶瓷片组成的压电陶瓷滤波网络构成，继续参见图4，其中所使用的压电变压器为规格为20W输出，压电变压器由直径为26mm的陶瓷片贴合而成。而压电陶瓷滤波网络的一个压电陶瓷片的外径与压电变压器的外径相同。即压电陶瓷片的外径为26mm。同时参见图6通过示波器监视到了压电变压器的输入电压波形。由此可以看出，由方波发生器产生的方波被压电陶瓷滤波网络转变成了一个准正弦信号。

在本例中，仅示出了压电陶瓷滤波网络由一个外径与压电变压器相同的压电陶瓷片构成，但是并非仅限于此，本发明驱动器还可由多个压电陶瓷片组成的压电陶瓷滤波网络构成。而多个压电陶瓷片组成的压电陶瓷滤波网络可以有多种拓扑方式。如图7、8和9所示，其中图7示出了压电陶瓷滤波网络的Γ型；图8示出了压电陶瓷滤波网络的T型；图9示出了压电陶瓷滤波网络的∏型；因此根据实际情况，压电变压器可以采用不同拓扑方式的驱动器。从而通过对压电陶瓷片组成带通滤波网络的设计，使得输入压电变压器的信号能够基本满足压电变压器高效工作的要求。

本发明提供的压电陶瓷滤波网络和压电变压器采用相同的材料制备而成，以具有相同的温度特性，从而在不同的温度下，能保证压电变压器的正常工作，极大的提高了压电电源的可靠性。

本发明压电变压器的驱动器，在实际生产过程中可以集成在压电变压器中，即并入同压电变压器的封装结构中。同样，采用了本发明驱动器后的压电变压器可以获得驱动器所带来所有的好处。

因此，本发明所提供的压电变压器的驱动器采用压电陶瓷片组成的滤波网络，将周期方波信号转变成准正弦波输入到压电变压器。由此在保证压电变压器正常工作的情况下，可以极大的减小压电电源的体积大小。同时，由于压电陶瓷片和压电陶瓷变压器使用同样的材料制备，具有相同的温度特性，避免了由于温度变化导致的变压器滤波网络与变压器发生失谐的问题，在不同的温度下能保证压电变压器的正常工作。极大的提高了压电电源的可靠性。同时可以将滤波陶瓷片集成到压电变压器中，方便了电源的组装并提高了可靠性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案和权利要求的精神和范围。

Claims

1.一种压电变压器的驱动器，其特征在于包括由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络，用于将方波输入转变为正弦波输入。

2.根据权利要求1所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述压电陶瓷滤波网络的拓扑结构为“Γ”、“T”或者“П”型。

3.根据权利要求1所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述压电陶瓷滤波网络由一个外径与压电变压器相同的压电陶瓷片构成。

4.根据权利要求3所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述压电陶瓷片的外径为26mm。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述至少一个压电陶瓷片的材料与压电变压器所采用的材料相同。

6.根据权利要求5所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述驱动器集成在所述压电变压器中。

7.根据权利要求5所述的压电变压器的驱动器，其特征在于所述压电陶瓷滤波网络的等效电路是电容、电感和电阻串联后与另一电容并联的电路。

8.一种压电变压器，包括方波发生器，其特征在于还包括驱动器，该驱动器包括用于将所述方波发生器产生的方波输入转变为正弦波输入的，由至少一个压电陶瓷片构成的压电陶瓷滤波网络。

9.根据权利要求7所述的压电变压器，其特征在于所述压电陶瓷滤波网络的拓扑结构为“Γ”、“T”或者“П”型。

10.根据权利要求7所述的压电变压器，其特征在于所述压电陶瓷滤波网络由一个外径与压电变压器相同的压电陶瓷片构成。

11.根据权利要求7或8或9所述的压电变压器，其特征在于所述至少一个压电陶瓷片的材料与压电变压器所采用的材料一样。