第 1 章  緒   論

1.1  本課題的研究背景及意義
隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子器件的高效率、小型化特點成為了電子產(chǎn)品追求的目標(biāo)[1,2]。對于傳統(tǒng)的繞線式電磁變壓器，其存在趨膚效應(yīng)損耗、銅損和鐵損，而且這些損耗隨著繞線式電磁變壓器體積的減小而迅速增加，由于繞線式電磁變壓器存在的這些缺陷，所以很難使繞線式電磁變壓器實現(xiàn)高效小型化。目前繞線式電磁變壓器成為了電子產(chǎn)品中體積最大的器件，成為了電子產(chǎn)品實現(xiàn)小型化的主要障礙之一。而且繞線式電磁變壓器由于其存在漏磁和電磁輻射，所以工作過程中會對周圍環(huán)境造成一定的電磁干擾問題。所以一種高效、小型化和無電磁干擾性能的變壓器是實現(xiàn)電子世界小型化的迫切需要。除此之外，在制作高壓電源時，由于存在高壓絕緣問題，若使用繞線式電磁變壓器來作為高壓電源的升壓變壓器，則容易發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致變壓器短路，雖然繞制問題隨著技術(shù)的提高都已得到解決，但是高壓包擊穿現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，返修率在所有部件中仍然比較高，從而影響了電子設(shè)備工作的可靠性。 20 世紀(jì) 50 年代，由美國 C.  A.  Rosen 首次提出了壓電陶瓷變壓器(Piezoelectric Ceramic Transformer)的概念[3,4]，并制成了第一個壓電陶瓷變壓器。壓電陶瓷變壓器的材料結(jié)構(gòu)和工作原理都不同于繞線式電磁變壓器，它是由壓電陶瓷材料構(gòu)成，并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)和高壓極化，具有耐高溫、高壓能力，且具有效率高、體積小、無電磁干擾、不易燃燒和升壓倍數(shù)高等特點[5-8]。從結(jié)構(gòu)上可以看出，壓電陶瓷變壓器的體積比繞線式電磁變壓器小得多，而且，壓電陶瓷變壓器易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，能大大降低其生產(chǎn)成本，從而在競爭中更具優(yōu)勢。此外，壓電陶瓷變壓器不產(chǎn)生電磁干擾，也不受電磁干擾的特點，使壓電陶瓷變壓器的使用更具優(yōu)勢，特別是使用于對電磁干擾比較敏感的環(huán)境，，比如在粒子加速器中，如果使用繞線式電磁變壓器來為粒子加速器提供高壓，因為繞線式電磁變壓器會對周圍元器件產(chǎn)生電磁干擾，所以需要特意將繞線式電磁變壓器放置在離粒子加速器很遠(yuǎn)的地方，或者經(jīng)過特定的電磁屏蔽處理，但這些都會增加產(chǎn)品的設(shè)計難度，并且產(chǎn)品工作可靠性不高，而使用壓電陶瓷變壓器不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾的影響，從而大大降低了設(shè)計難度。
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
最初壓電陶瓷變壓器由 Rosen 提出，并制造出了 Rosen 型壓電陶瓷變壓器，這是結(jié)構(gòu)最簡單的變壓器，也是使用最廣泛的變壓器。起初，壓電陶瓷變壓器為單層變壓器，其升壓倍數(shù)低，所以當(dāng)時沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著高性能壓電陶瓷材料的研制及壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)的改善，壓電陶瓷變壓器的升壓倍數(shù)和效率都有了很大的提高。再加上壓電陶瓷變壓器所具有的優(yōu)良特性，因而壓電陶瓷變壓器的應(yīng)用又一次受到了人們的重視，并吸引了大量科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在壓電陶瓷變壓器方面的研究[14-17]。 目前，壓電陶瓷變壓器的功率一般為幾瓦，有少量壓電陶瓷變壓器的功率做到了幾十瓦，所以其主要應(yīng)用在小功率高壓電源中。針對其功率小的缺陷，有三種方法可以提高壓電陶瓷變壓器的輸出功率，一是改善壓電陶瓷材料[18]，二是改進(jìn)壓電陶瓷變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，三是壓電陶瓷變壓器的并聯(lián)連接。 最初壓電陶瓷變壓器由一元系壓電陶瓷材料構(gòu)成，但一元系壓電陶瓷材料性能差、功率低，為了改善這些性能，從而研制出了三元系、四元系壓電陶瓷材料，如清華大學(xué)研制出了三、四元系壓電陶瓷材料，從而使壓電陶瓷變壓器的功率有了一定的提高。 壓電陶瓷變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)也能很好地提高其升壓倍數(shù)和輸出功率，最初的壓電陶瓷變壓器為單層壓電陶瓷變壓器，如圖 1-1 所示。隨著工藝的不斷完善，壓電陶瓷變壓器向多層結(jié)構(gòu)發(fā)展，現(xiàn)在已研制出多層壓電陶瓷變壓器，如圖 1-2 所示。日本 NEC 公司研究出了三次多層壓電陶瓷變壓器。單層和多層壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)相似，單層壓電陶瓷變壓器在輸入部分只有單層，而多層壓電陶瓷變壓器在輸入部分存在多層。單層壓電陶瓷變壓器相對于多層壓電陶瓷變壓器具有制作簡單、成本低等特點，但是多層壓電陶瓷變壓器的升壓倍數(shù)和輸出功率比單層壓電陶瓷變壓器大很多，是現(xiàn)在普遍應(yīng)用的壓電陶瓷變壓器。 
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第 2 章  壓電陶瓷變壓器的工作原理及特性

2.1  引言
壓電陶瓷變壓器的工作原理完全不同于繞線式電磁變壓器，所以要很好地使用壓電陶瓷變壓器進(jìn)行設(shè)計需要對壓電陶瓷變壓器的特性有很好的了解。壓電陶瓷變壓器是一種新型的變壓器，其與線繞式電磁變壓器存在很大區(qū)別，壓電陶瓷變壓器的工作狀態(tài)與壓電陶瓷變壓器所具有的特性密切相關(guān)，為使壓電陶瓷變壓器能高效的工作，從而有必要先闡述壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，再分析壓電陶瓷變壓器的特性，為后面很好地使用壓電陶瓷變壓器進(jìn)行設(shè)計打下基礎(chǔ)。最終根據(jù)壓電陶瓷變壓器的工作特性提出本文的設(shè)計方案。 
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2.2  壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理
1880 年，由法國的居里兄弟皮爾與杰克斯發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，隨后制成了壓電陶瓷材料。壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)變。當(dāng)在壓電陶瓷片的某個表面施加壓力時，其內(nèi)部會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，同時在壓電陶瓷變壓器對應(yīng)的兩個表面產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，壓電陶瓷片內(nèi)部極化現(xiàn)象消失，表面恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奶匦苑Q為正壓電效應(yīng)。當(dāng)對壓電陶瓷片施加一電場時，壓電陶瓷片會發(fā)生與電場強(qiáng)度成比例的機(jī)械形變，當(dāng)對壓電陶瓷片的某兩個表面施加一交變電場時，則在壓電陶瓷片的內(nèi)部發(fā)生機(jī)械振動，這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的特性稱為逆壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷變壓器引用壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)了機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)變，壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。壓電陶瓷變壓器分為兩個部分，即驅(qū)動部分和發(fā)電部分，A 半部分將變化的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)力，定義為驅(qū)動部分，而 B 半部分將壓電陶瓷片內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為交變電能，從而定義為發(fā)電部分。壓電陶瓷變壓器一般由鋯酸鉛（O3PbZr）、鈦酸鉛(O4PbTi)和鈮酸鋰（LiNbO3）經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，燒結(jié)成型后通過細(xì)磨以得到精確的尺寸，得到符合要求的壓電陶瓷片后，在 A 半部分的上下面涂上銀漿，作為壓電陶瓷變壓器的輸入端的兩個極，再在 B 半部分的右側(cè)端面涂上銀漿，則高壓輸出端由此側(cè)面與 A 半部分的下表面構(gòu)成，這就是其構(gòu)造和制作過程。
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第 3 章  主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計 ........ 19 
3.1  引言 ....... 19 
3.2  電源總體技術(shù)指標(biāo) ....... 19 
3.3  電源整機(jī)原理框圖 ....... 19 
3.4  主拓?fù)錁?gòu)成及原理 ....... 20
3.5  軟開關(guān)技術(shù) .......... 24 
3.6  本章小結(jié) ....... 28 
第 4 章  控制環(huán)路及硬件電路設(shè)計 .... 29 
4.1  引言 ....... 29 
4.2  控制環(huán)路穩(wěn)定性分析 .... 29 
4.3  硬件電路設(shè)計 ....... 35 
4.4  本章小結(jié) ....... 40 
第 5 章  電源樣機(jī)實驗結(jié)果及分析 .... 41 
5.1  引言 ....... 41 
5.2  實驗測試平臺 ....... 41 
5.3  電源樣機(jī)的輸出電壓 .... 42
5.4  實驗特性波形分析 ....... 46
5.5  電路安全性分析 .... 48 
5.6  本章小結(jié) ....... 49  

第 5 章  電源樣機(jī)實驗結(jié)果及分析

5.1  引言

此電源模塊的主電路中前級通過 Buck 電路進(jìn)行降壓，并起穩(wěn)定輸出電壓的作用，后級通過壓電陶瓷變壓器和倍壓整流電路實現(xiàn)升壓�？刂齐娐防眯酒� UC2823，實現(xiàn)反饋回路控制，前后兩級電路通過同步電路實現(xiàn)了工作的完全同步。在上文理論研究的基礎(chǔ)上，搭建硬件電路實驗驗證。本章給出了此電源模塊的實驗結(jié)果與分析。實驗測試平臺主要由示波器、直流電源、高壓探頭、隔離探頭等儀器組成，將主要儀器型號列于表 5-1。 實驗中使用通用板搭接了實驗電路，電源樣機(jī)實驗平臺如圖 5-1 所示。實驗中通過直流功率電源為電源樣機(jī)提供直流輸入電壓，使用高壓探頭檢測電源樣機(jī)的輸出電壓，開關(guān)管驅(qū)動波形穩(wěn)定性通過示波器進(jìn)行顯示，根據(jù)實驗要求，使用三路線性直流源設(shè)定調(diào)壓值，從而調(diào)節(jié)各個輸出電壓值。通過此實驗平臺完成了整個實驗過程，并獲得了很好的實驗結(jié)果。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓值（0~5V）測試電源樣機(jī)對應(yīng)的輸出電壓值，調(diào)壓值應(yīng)與電源樣機(jī)輸出電壓滿足線性對應(yīng)關(guān)系。由于實驗條件的限制，沒有滿足此高壓的可調(diào)電子負(fù)載，所以無法進(jìn)行連續(xù)的負(fù)載調(diào)節(jié)。為了驗證此電源模塊在各帶載情況下具有很好地輸出穩(wěn)定性，實驗中測試了滿載和空載條件下各調(diào)節(jié)電壓值對應(yīng)的輸出電壓。此外，通過滿載和空載條件下各調(diào)節(jié)電壓對應(yīng)輸出電壓值的對比來驗證輸出電壓的穩(wěn)定性。 

 

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結(jié)   論

本文以壓電陶瓷變壓器為核心升壓元件，針對其不易控制的難題，提出了一種新的控制方法，即兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制方法，采用 Buck 電路與壓電陶瓷變壓器升壓部分級聯(lián)的方式，并通過定頻定占空比與 PWM 結(jié)合控制，解決了間斷工作方式帶來的輸出電壓紋波大的問題。經(jīng)理論研究和樣機(jī)實驗，結(jié)論如下： 
（1）提出了兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制方法，實現(xiàn)了對壓電陶瓷變壓器的良好控制。采用前級 Buck 電路與后級升壓電路級聯(lián)的方式，通過定頻定占空比控制壓電陶瓷變壓器工作于諧振頻率附近，而利用 PWM 控制 Buck 電路實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，從而既實現(xiàn)了壓電陶瓷變壓器的高效工作，又實現(xiàn)了輸出的穩(wěn)壓，并且電路工作在不間斷模式，使輸出電壓紋波較小。 
（2）采用定頻定占空比的方法驅(qū)動壓電陶瓷變壓器，使電路更易被優(yōu)化。半橋電路中的開關(guān)管通過定頻定占空比進(jìn)行控制，由于頻率和占空比固定，因此各個周期工作狀態(tài)相同，對一個周期的元件優(yōu)化設(shè)計可以推廣到其他周期，從而有利于電路的優(yōu)化。 
（3）通過分析研究兩種驅(qū)動波形，采用正弦波作為壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動波形，實現(xiàn)了壓電陶瓷變壓器的高效運行。通過在壓電陶瓷變壓器輸入端加入電感，與輸入寄生電容形成低通濾波器，濾除高次諧波，得到正弦波輸入。由于壓電陶瓷變壓器的升壓倍數(shù)與工作頻率密切相關(guān)，從而除去了高次諧波的低效傳輸，使壓電陶瓷變壓器更高效地工作。 
（4）LC 諧振實現(xiàn)了軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗。LC 諧振使半橋電路工作在軟開關(guān)狀態(tài)，提高了整體效率。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：49942