壓電變壓器新型無電感驅動拓撲結構的研究.pdf

1、壓電變壓器以其功率密度高、結構簡單、成本低等優(yōu)勢，越來越能滿足信息處理、通訊和電源設備小型化的需求。在商業(yè)化應用過程中，壓電變壓器設備的發(fā)展，不僅取決于自身性能的不斷提升，還強烈依賴于外圍驅動技術的研究。壓電變壓器驅動時需要在驅動電路和壓電變壓器之間加一匹配網絡，實現(xiàn)零電壓驅動，降低開關損耗，提升整體性能。通常該匹配網絡為一電感元件，與壓電變壓器用來取代電磁變壓器的目的相矛盾，解決這一問題的關鍵在于研究出基于壓電變壓器的無電感驅動拓撲結

2、構。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。同時采用壓電濾波器對驅動中的高次諧波進行濾波，進一步提升驅動電路以及壓電變壓器的工作效率。最終結合壓電電感與壓電濾波器組成壓電匹配網絡，提出一種特殊設計的開關驅動波形，通過調節(jié)波形的頻譜分量，降低壓電濾波器的設計復雜性，發(fā)展了一種基于壓電變壓器的新型無電感驅動拓撲結構。本論文的主要研究內容和結論如

3、下:
　　一、結合壓電器件的阻抗仿真和實驗數(shù)據(jù)，提出了壓電電感的概念，通過優(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償?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)電感器件基于線圈繞制的技術原理使得制造工藝復雜，體積龐大，從面積到成本都嚴重制約著集成電路的發(fā)展。壓電電感體積小、重量輕、結構簡單、不易燃、不受電磁干擾等優(yōu)點，可以一定程度上滿足集成電路對電感的需求。
　　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納方程，推導出導納呈感性特征的頻率范圍，并得出影響導納感性特征的參數(shù)。該理論分析使我們對機電模型的阻抗變化有了新的認識，也為壓電電感的設計提供了理論指導。
　　三、首次在壓電變壓器驅動中使用壓電濾波器，大大提高了整體系統(tǒng)的驅動效率。研究發(fā)現(xiàn)對半橋逆變器輸出方波中的高次諧波進行濾波，可以避免激勵出壓電變壓器的寄生模態(tài)，降低驅動電路的開關損耗。傳統(tǒng)的LC濾波器需要采用多個無功器件（包括電感元件

5、），而本文進行諧波濾波的壓電濾波器，在大大提升整體效率的同時，其成本低，頻帶寬，插入損耗小，有利于后期的器件小型化。
　　四、基于整體驅動性能的權衡考慮，理論分析了功放驅動壓電變壓器時的最佳驅動波形。理想情況下正弦波驅動壓電變壓器是最佳選擇，但正弦波驅動電路制作復雜，效率低。而方波驅動對驅動電路來說是最高效的，但是要保證壓電變壓器的正弦驅動，則需濾除的諧波次數(shù)過多，不利于壓電濾波器的設計。論文以推挽型功放電路為基礎，加入濾波器結構

6、，分析了各種諧波疊加驅動信號對整體驅動性能的影響，最終得出波形函數(shù)為a(sin(ωt)+(1/6) sin(3ωt)）時的驅動電路最佳。
　　五、結合壓電電感與壓電濾波器構成純壓電匹配網絡，根據(jù)特殊設計的開關驅動波形，發(fā)展了一種基于壓電變壓器的新型無電感驅動拓撲結構。該拓撲結構通過壓電濾波器濾除驅動信號中的高次諧波，然后由壓電電感對基頻信號下壓電變壓器和壓電濾波器的容性阻抗進行匹配補償。同時，為了降低壓電濾波網絡的設計復雜度，采用

7、全橋驅動電路設計出一種新型開關驅動波形。該驅動波形為正負交替的周期性矩形波脈沖序列，可通過調節(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。該新型驅動拓撲結構簡單，無需任何電磁元件，為解決PT的無電感驅動問題提供了一個全新的思路。論文采用這種無電感驅動拓撲結構，制作了樣機進行實驗，輸入功率14.5 W時，整體系統(tǒng)的驅動效率為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