壓電陶瓷變壓器及其應用

圖1所示的壓電變壓器的長度遠大于厚度，輸入阻抗遠小于輸出阻抗，可以用來實現升壓目的。這種變壓器在空載和諧振狀態下的最大升壓比為：

（1）
　　式中：Vout和Vin分別為輸出電壓和輸入電壓；Qm為材料的機械品質因素；K31和K33分別為材料的橫向和縱向機電耦合系數；L為驅動部分長度；t為陶瓷片厚度。
變壓器的最大效率為：

　　
(2)如果將圖1中的發電部分作為壓電變壓器的驅動部分，而將驅動部分作為壓電變壓器的發電部分（如圖2所示），于是發電部分的輸入阻抗大于驅動部分的輸出阻抗，致使輸出端的電壓降低，電流增大，便成為一種降壓型壓電陶瓷變壓器。由于壓電陶瓷降壓變壓器的輸出阻抗比較大，很難小于100Ω，因此輸出電流比較小。

圖3所示是日本NEC公司利用K1振動模式的壓電陶瓷降壓變壓器示意圖，圖4所示為采用徑向振動模式的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的結構示圖。

　　
單片壓電陶瓷變壓器比較小，功率也比較低。在上一個世紀90年代，人們將制備多層片式陶瓷電容器（MLCC）的工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制作中，于是制成了多層片式壓電陶瓷變壓器，其結構如圖5所示。這種N層結構的壓電變壓器，每層的極化方向相反，各電極采用叉指方式交替地連接。通過調整陶瓷層數可以有效地改變變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗，從而改變變壓比。圖6所示為驅動和發電部分分別采用多層陶瓷和內電極結構的升壓和降壓變壓器示圖。
　　
2、壓電陶瓷變壓器的特點
　　
壓電陶瓷變壓器的結構和原理與傳統電磁變壓器截然不同，其特點如下：
　　
（1）體積小、重量輕、超薄型，最適宜片式化。
　　
（2）安全性好，可靠性高。它采用不燃燒的壓電陶瓷制成，沒有磁心和線組線圈，沒有磁飽和問題，不會因負載短路而燒毀，也不怕潮濕。
　　
（3）功率轉換效率高，一般可達95%，最高可達98%。
　　
（4）能量傳輸是以高頻振動的壓電方式實現的，不會產生電磁干擾（EMI），也不會受到外界的電磁干擾。
　　
（5）不產生反峰電壓，輸出標準正弦波電壓。
　　
盡管壓電陶瓷變壓器具有以上這些優點，但也存在一些不足，例如：
　　
a．壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可達20W（如NEC制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達20W以上，諧振頻率為140KHz，在20W時的轉換效率為97%）乃至30~40W，但目前成熟產品的輸出功率不超過10W，因此僅適用小功率、小電流和高電壓領域。