壓電變壓器新型無(wú)電感驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、壓電變壓器以其功率密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越能滿(mǎn)足信息處理、通訊和電源設(shè)備小型化的需求。在商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，壓電變壓器設(shè)備的發(fā)展，不僅取決于自身性能的不斷提升，還強(qiáng)烈依賴(lài)于外圍驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究。壓電變壓器驅(qū)動(dòng)時(shí)需要在驅(qū)動(dòng)電路和壓電變壓器之間加一匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)零電壓驅(qū)動(dòng)，降低開(kāi)關(guān)損耗，提升整體性能。通常該匹配網(wǎng)絡(luò)為一電感元件，與壓電變壓器用來(lái)取代電磁變壓器的目的相矛盾，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于研究出基于壓電變壓器的無(wú)電感驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)

2、構(gòu)。本論文利用壓電陶瓷在共振與友共振頻率之間表現(xiàn)出的良好感性行為，作為半橋逆變器與壓電變壓器之間的串聯(lián)電感，避免了傳統(tǒng)的大體積磁性元件的使用。同時(shí)采用壓電濾波器對(duì)驅(qū)動(dòng)中的高次諧波進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)電路以及壓電變壓器的工作效率。最終結(jié)合壓電電感與壓電濾波器組成壓電匹配網(wǎng)絡(luò)，提出一種特殊設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形，通過(guò)調(diào)節(jié)波形的頻譜分量，降低壓電濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，發(fā)展了一種基于壓電變壓器的新型無(wú)電感驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如

3、下:
　　一、結(jié)合壓電器件的阻抗仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了壓電電感的概念，通過(guò)優(yōu)化選取壓電陶瓷材料制作了壓電電感，并將其成功用于壓電變壓器工作頻率下的容性阻抗補(bǔ)償?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)電感器件基于線圈繞制的技術(shù)原理使得制造工藝復(fù)雜，體積龐大，從面積到成本都嚴(yán)重制約著集成電路的發(fā)展。壓電電感體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易燃、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以一定程度上滿(mǎn)足集成電路對(duì)電感的需求。
　　二、為了深入分析壓電耦合器件的電感特性及其影響因素，

4、論文在集總參數(shù)條件下建立了壓電耦合器件的導(dǎo)納方程，推導(dǎo)出導(dǎo)納呈感性特征的頻率范圍，并得出影響導(dǎo)納感性特征的參數(shù)。該理論分析使我們對(duì)機(jī)電模型的阻抗變化有了新的認(rèn)識(shí)，也為壓電電感的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　三、首次在壓電變壓器驅(qū)動(dòng)中使用壓電濾波器，大大提高了整體系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)半橋逆變器輸出方波中的高次諧波進(jìn)行濾波，可以避免激勵(lì)出壓電變壓器的寄生模態(tài)，降低驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)損耗。傳統(tǒng)的LC濾波器需要采用多個(gè)無(wú)功器件（包括電感元件

5、），而本文進(jìn)行諧波濾波的壓電濾波器，在大大提升整體效率的同時(shí)，其成本低，頻帶寬，插入損耗小，有利于后期的器件小型化。
　　四、基于整體驅(qū)動(dòng)性能的權(quán)衡考慮，理論分析了功放驅(qū)動(dòng)壓電變壓器時(shí)的最佳驅(qū)動(dòng)波形。理想情況下正弦波驅(qū)動(dòng)壓電變壓器是最佳選擇，但正弦波驅(qū)動(dòng)電路制作復(fù)雜，效率低。而方波驅(qū)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)說(shuō)是最高效的，但是要保證壓電變壓器的正弦驅(qū)動(dòng)，則需濾除的諧波次數(shù)過(guò)多，不利于壓電濾波器的設(shè)計(jì)。論文以推挽型功放電路為基礎(chǔ)，加入濾波器結(jié)構(gòu)

6、，分析了各種諧波疊加驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)整體驅(qū)動(dòng)性能的影響，最終得出波形函數(shù)為a(sin(ωt)+(1/6) sin(3ωt)）時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路最佳。
　　五、結(jié)合壓電電感與壓電濾波器構(gòu)成純壓電匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)特殊設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形，發(fā)展了一種基于壓電變壓器的新型無(wú)電感驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)壓電濾波器濾除驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的高次諧波，然后由壓電電感對(duì)基頻信號(hào)下壓電變壓器和壓電濾波器的容性阻抗進(jìn)行匹配補(bǔ)償。同時(shí)，為了降低壓電濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，采用

7、全橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)出一種新型開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)波形。該驅(qū)動(dòng)波形為正負(fù)交替的周期性矩形波脈沖序列，可通過(guò)調(diào)節(jié)占空比改變其頻譜分量，使其只包含基頻和三倍頻，并抑制其他高次諧波成分，因此只需要三倍頻諧波濾波即可。該新型驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需任何電磁元件，為解決PT的無(wú)電感驅(qū)動(dòng)問(wèn)題提供了一個(gè)全新的思路。論文采用這種無(wú)電感驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制作了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸入功率14.5 W時(shí)，整體系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率為76.3％。論文分析了效率不夠理想的影響因素，為后續(xù)的發(fā)展研