压电陶瓷变压器在高压稳压电源中的控制策略研究

发布时间：2016-05-26 07:10

第 1 章  绪   论

1.1  本课题的研究背景及意义
随着电子技术的不断进步，电子器件的高效率、小型化特点成为了电子产品追求的目标[1,2]。对于传统的绕线式电磁变压器，其存在趋肤效应损耗、铜损和铁损，而且这些损耗随着绕线式电磁变压器体积的减小而迅速增加，由于绕线式电磁变压器存在的这些缺陷，所以很难使绕线式电磁变压器实现高效小型化。目前绕线式电磁变压器成为了电子产品中体积最大的器件，成为了电子产品实现小型化的主要障碍之一。而且绕线式电磁变压器由于其存在漏磁和电磁辐射，所以工作过程中会对周围环境造成一定的电磁干扰问题。所以一种高效、小型化和无电磁干扰性能的变压器是实现电子世界小型化的迫切需要。除此之外，在制作高压电源时，由于存在高压绝缘问题，若使用绕线式电磁变压器来作为高压电源的升压变压器，则容易发生击穿，从而导致变压器短路，虽然绕制问题随着技术的提高都已得到解决，但是高压包击穿现象经常发生，返修率在所有部件中仍然比较高，从而影响了电子设备工作的可靠性。 20 世纪 50 年代，由美国 C.  A.  Rosen 首次提出了压电陶瓷变压器(Piezoelectric Ceramic Transformer)的概念[3,4]，并制成了第一个压电陶瓷变压器。压电陶瓷变压器的材料结构和工作原理都不同于绕线式电磁变压器，它是由压电陶瓷材料构成，并经高温烧结和高压极化，具有耐高温、高压能力，且具有效率高、体积小、无电磁干扰、不易燃烧和升压倍数高等特点[5-8]。从结构上可以看出，压电陶瓷变压器的体积比绕线式电磁变压器小得多，而且，压电陶瓷变压器易实现规模化生产，能大大降低其生产成本，从而在竞争中更具优势。此外，压电陶瓷变压器不产生电磁干扰，也不受电磁干扰的特点，使压电陶瓷变压器的使用更具优势，特别是使用于对电磁干扰比较敏感的环境，，比如在粒子加速器中，如果使用绕线式电磁变压器来为粒子加速器提供高压，因为绕线式电磁变压器会对周围元器件产生电磁干扰，所以需要特意将绕线式电磁变压器放置在离粒子加速器很远的地方，或者经过特定的电磁屏蔽处理，但这些都会增加产品的设计难度，并且产品工作可靠性不高，而使用压电陶瓷变压器不会对周围环境产生电磁干扰的影响，从而大大降低了设计难度。
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1.2  国内外研究现状
最初压电陶瓷变压器由 Rosen 提出，并制造出了 Rosen 型压电陶瓷变压器，这是结构最简单的变压器，也是使用最广泛的变压器。起初，压电陶瓷变压器为单层变压器，其升压倍数低，所以当时没有得到广泛应用。随着高性能压电陶瓷材料的研制及压电陶瓷变压器结构的改善，压电陶瓷变压器的升压倍数和效率都有了很大的提高。再加上压电陶瓷变压器所具有的优良特性，因而压电陶瓷变压器的应用又一次受到了人们的重视，并吸引了大量科研机构和企业在压电陶瓷变压器方面的研究[14-17]。 目前，压电陶瓷变压器的功率一般为几瓦，有少量压电陶瓷变压器的功率做到了几十瓦，所以其主要应用在小功率高压电源中。针对其功率小的缺陷，有三种方法可以提高压电陶瓷变压器的输出功率，一是改善压电陶瓷材料[18]，二是改进压电陶瓷变压器内部结构，三是压电陶瓷变压器的并联连接。 最初压电陶瓷变压器由一元系压电陶瓷材料构成，但一元系压电陶瓷材料性能差、功率低，为了改善这些性能，从而研制出了三元系、四元系压电陶瓷材料，如清华大学研制出了三、四元系压电陶瓷材料，从而使压电陶瓷变压器的功率有了一定的提高。 压电陶瓷变压器内部结构的改进也能很好地提高其升压倍数和输出功率，最初的压电陶瓷变压器为单层压电陶瓷变压器，如图 1-1 所示。随着工艺的不断完善，压电陶瓷变压器向多层结构发展，现在已研制出多层压电陶瓷变压器，如图 1-2 所示。日本 NEC 公司研究出了三次多层压电陶瓷变压器。单层和多层压电陶瓷变压器结构相似，单层压电陶瓷变压器在输入部分只有单层，而多层压电陶瓷变压器在输入部分存在多层。单层压电陶瓷变压器相对于多层压电陶瓷变压器具有制作简单、成本低等特点，但是多层压电陶瓷变压器的升压倍数和输出功率比单层压电陶瓷变压器大很多，是现在普遍应用的压电陶瓷变压器。 
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第 2 章  压电陶瓷变压器的工作原理及特性

2.1  引言
压电陶瓷变压器的工作原理完全不同于绕线式电磁变压器，所以要很好地使用压电陶瓷变压器进行设计需要对压电陶瓷变压器的特性有很好的了解。压电陶瓷变压器是一种新型的变压器，其与线绕式电磁变压器存在很大区别，压电陶瓷变压器的工作状态与压电陶瓷变压器所具有的特性密切相关，为使压电陶瓷变压器能高效的工作，从而有必要先阐述压电陶瓷变压器的结构和工作原理，再分析压电陶瓷变压器的特性，为后面很好地使用压电陶瓷变压器进行设计打下基础。最终根据压电陶瓷变压器的工作特性提出本文的设计方案。 
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2.2  压电陶瓷变压器的结构和工作原理
1880 年，由法国的居里兄弟皮尔与杰克斯发现了压电效应，随后制成了压电陶瓷材料。压电效应的产生是机械能与电能之间的转变。当在压电陶瓷片的某个表面施加压力时，其内部会出现极化现象，同时在压电陶瓷变压器对应的两个表面产生数量相等、符号相反的电荷；当外力撤去后，压电陶瓷片内部极化现象消失，表面恢复到不带电状态，这种将机械能转变为电能的特性称为正压电效应。当对压电陶瓷片施加一电场时，压电陶瓷片会发生与电场强度成比例的机械形变，当对压电陶瓷片的某两个表面施加一交变电场时，则在压电陶瓷片的内部发生机械振动，这种将电能转变为机械能的特性称为逆压电效应。 压电陶瓷变压器引用压电陶瓷材料的压电效应实现了机械能与电能的转变，压电陶瓷变压器的结构如图 2-1 所示。压电陶瓷变压器分为两个部分，即驱动部分和发电部分，A 半部分将变化的电能转化为机械应力，定义为驱动部分，而 B 半部分将压电陶瓷片内部的机械应力转化为交变电能，从而定义为发电部分。压电陶瓷变压器一般由锆酸铅（O3PbZr）、钛酸铅(O4PbTi)和铌酸锂（LiNbO3）经高温烧结而成，烧结成型后通过细磨以得到精确的尺寸，得到符合要求的压电陶瓷片后，在 A 半部分的上下面涂上银浆，作为压电陶瓷变压器的输入端的两个极，再在 B 半部分的右侧端面涂上银浆，则高压输出端由此侧面与 A 半部分的下表面构成，这就是其构造和制作过程。
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第 3 章  主拓扑结构及参数设计 ........ 19 
3.1  引言 ....... 19 
3.2  电源总体技术指标 ....... 19 
3.3  电源整机原理框图 ....... 19 
3.4  主拓扑构成及原理 ....... 20
3.5  软开关技术 .......... 24 
3.6  本章小结 ....... 28 
第 4 章  控制环路及硬件电路设计 .... 29 
4.1  引言 ....... 29 
4.2  控制环路稳定性分析 .... 29 
4.3  硬件电路设计 ....... 35 
4.4  本章小结 ....... 40 
第 5 章  电源样机实验结果及分析 .... 41 
5.1  引言 ....... 41 
5.2  实验测试平台 ....... 41 
5.3  电源样机的输出电压 .... 42
5.4  实验特性波形分析 ....... 46
5.5  电路安全性分析 .... 48 
5.6  本章小结 ....... 49  

第 5 章  电源样机实验结果及分析

5.1  引言

此电源模块的主电路中前级通过 Buck 电路进行降压，并起稳定输出电压的作用，后级通过压电陶瓷变压器和倍压整流电路实现升压。控制电路利用芯片 UC2823，实现反馈回路控制，前后两级电路通过同步电路实现了工作的完全同步。在上文理论研究的基础上，搭建硬件电路实验验证。本章给出了此电源模块的实验结果与分析。实验测试平台主要由示波器、直流电源、高压探头、隔离探头等仪器组成，将主要仪器型号列于表 5-1。 实验中使用通用板搭接了实验电路，电源样机实验平台如图 5-1 所示。实验中通过直流功率电源为电源样机提供直流输入电压，使用高压探头检测电源样机的输出电压，开关管驱动波形稳定性通过示波器进行显示，根据实验要求，使用三路线性直流源设定调压值，从而调节各个输出电压值。通过此实验平台完成了整个实验过程，并获得了很好的实验结果。根据设计指标要求，通过调节调压值（0~5V）测试电源样机对应的输出电压值，调压值应与电源样机输出电压满足线性对应关系。由于实验条件的限制，没有满足此高压的可调电子负载，所以无法进行连续的负载调节。为了验证此电源模块在各带载情况下具有很好地输出稳定性，实验中测试了满载和空载条件下各调节电压值对应的输出电压。此外，通过满载和空载条件下各调节电压对应输出电压值的对比来验证输出电压的稳定性。 

 

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结   论

本文以压电陶瓷变压器为核心升压元件，针对其不易控制的难题，提出了一种新的控制方法，即两级级联结构的控制方法，采用 Buck 电路与压电陶瓷变压器升压部分级联的方式，并通过定频定占空比与 PWM 结合控制，解决了间断工作方式带来的输出电压纹波大的问题。经理论研究和样机实验，结论如下： 
（1）提出了两级级联结构的控制方法，实现了对压电陶瓷变压器的良好控制。采用前级 Buck 电路与后级升压电路级联的方式，通过定频定占空比控制压电陶瓷变压器工作于谐振频率附近，而利用 PWM 控制 Buck 电路实现输出稳压，从而既实现了压电陶瓷变压器的高效工作，又实现了输出的稳压，并且电路工作在不间断模式，使输出电压纹波较小。 
（2）采用定频定占空比的方法驱动压电陶瓷变压器，使电路更易被优化。半桥电路中的开关管通过定频定占空比进行控制，由于频率和占空比固定，因此各个周期工作状态相同，对一个周期的元件优化设计可以推广到其他周期，从而有利于电路的优化。 
（3）通过分析研究两种驱动波形，采用正弦波作为压电陶瓷变压器的驱动波形，实现了压电陶瓷变压器的高效运行。通过在压电陶瓷变压器输入端加入电感，与输入寄生电容形成低通滤波器，滤除高次谐波，得到正弦波输入。由于压电陶瓷变压器的升压倍数与工作频率密切相关，从而除去了高次谐波的低效传输，使压电陶瓷变压器更高效地工作。 
（4）LC 谐振实现了软开关，减小了开关损耗。LC 谐振使半桥电路工作在软开关状态，提高了整体效率。 
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参考文献(略)

本文编号：49942