压电陶瓷变压器在开关电源的应用分析

2 基于压电陶瓷变压器开关电源电路设计
2．1 主电路设计
在选用传统电磁变压器的开关电源电路设计中，通常是根据其传输的功率、电源输入特点、输出特点，是否要求输入输出隔离等要求来选择工作电路的拓扑结构，再根据选用的电路结构，输出功率等要求设计电磁变压器，确定磁芯、绕组组数、线圈线径和匝数等各项参数。因此在设计电路参数时，基本没把电磁变压器参数考虑进去，只是在电源电路确定后才考虑变压器设计。根据1．2节压电陶瓷变压器等效电路的分析，压电变压器电源的电路设计需要把压电陶瓷变压器作为影响电路是否正常工作的一个重要因素，即在电路结构选择，电路参数确定，控制方式等方面，都需要考虑压电陶瓷变压器的作用。
根据上述分析，压电陶瓷变压器的激励信号频率和负载对压电陶瓷变压器的转换效率影响很大，通常基于电压陶瓷变压器的开关电源主电路结构框图如图3所示。

根据压电变压器的等效电路图2可知，当压电变压器处于谐振状态时，从输入端看进去，相当于一个容性负载。因此需要一个输入匹配电路来减小流入压电陶瓷变压器的电流，或者说来补偿容性阻抗。输入匹配电路的设计主要由压电陶瓷变压器的输入阻抗和开关变换电路的输出阻抗决定。
基于压电陶瓷变压器开关电源的主电路结构与传统电磁开关电源的主电路结构一样，仍然有回扫逆变电路、推挽逆变电路、全桥逆变电路，半桥逆变电路几种拓扑结构。通过前面分析可知，压电陶瓷变压器需要施加正弦激励信号。如图4所示，回扫逆变电路仍需要电磁变压器来实现正弦信号生成。

推挽逆变电路需要大电感来完成充电和放电，对采用压陶瓷变压器使小型化电源的优势不再存在。
全桥逆变电路使用开关元件多，而对于压电陶瓷变压器半桥逆变电路，其主电路结构有几种方式(如图5所示)。图5(a)中需要借助压电陶瓷变压器才能完成零电压开关；图5(b)中的每个开关周期，谐振能量会在谐振环中流动，最终回送到输入当中去。这些送回去的能量越多，半导体开关器件承受的应力就越大，在电路中损失的能量也越多；图5(c)中串联电感，与变压器的静态电容一起，可以保证压电变压器工作在较好的状态，但在设计上存在一定限制。

目前有一种LLC谐振半桥逆变电路，如图5(d)所示，具有实现原边两个主MOS开关管的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)功能，且进入压电陶瓷变压器的激励信号为正弦信号。
2．2 控制电路
在实际应用过程中，压电陶瓷变压器的温度会发生变化，且所带的负载也随时在变化，这两个因素会引起压电陶瓷变压器的谐振频率发生变化。如果电源电路输出固定频率的激励信号，不能跟踪压电陶瓷变压器的谐振频率，那么压电陶瓷变压器谐振频率变化时，其转换效率因不能工作在谐振状态下大大降低，甚至不工作。因此要求主电路的输出频率能跟踪压电陶瓷变压器的谐振频率。目前频率跟踪方式如表1所示。

在实际的应用中，如果电压调节范围比较大，虽然可通过PFM调节方法实现，但这种方法不仅调节范围窄，而且影响压电冉瓷变压器的最佳工作状态。因此在要求调节范围大的应用场合可通过PWM与PFM共同完成。

3 基于压电陶瓷变压器开关电源的实际应用
从目前发展现状看，升压型压电陶瓷变压器超前于降压型压电变压器，其实用程度较为广泛。较为典型的应用是升压型压电陶瓷变压器在冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电源的应用。冷阴极荧光灯(CCFL)驱动电源特点通常是输入电压低，输出电压很高，达到1 kV，但是输出功率比较小，为了得到较高的输出电压，传统的电磁变压器需要匝数数量较大，且绕组线径非常小，给制造带来一定难度，且存在安全隐患，而用压电陶瓷变压器很容易实现。升压型压电陶瓷变压器主要应用还有液晶显示器(LCD)背光照明、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中。而降压型压电陶瓷变压器主要应用有计算机、手机、摄像机等便携式电子设备的AC-DC适配器及各种DC-DC模块电源、各种超小型模块电源、手提充电器等。

4 结束语
压电陶瓷变压器的特点使得采用压电陶瓷变压器的开关电源较为容易的解决了EMI、不能微型化等问题，且更容易实现自动化生产，广泛用于高压输出，或小功率输出场合。但如文章所述，压电陶瓷变压器必须工作在谐振状态，转换效率才能得到保证，因此压电陶瓷变压器的开关电源电路设计要求十分苛刻，需要配合压电陶瓷变压器，输出频率可调的正弦激励信号。