对于压电变压器而言，第三组元一般选用使降低，增加的受 同。电磁式变压器的能量变换方式是电—磁—电，其所用
主离子添加物。如果压电材料是四元系的，则一般是其一种 主材是磁性材料和导电材料，分别用作磁芯和绕组 ；而压
组元选用受主添加物，另一种选用施主添加物，似便得到高 电陶瓷变压器所用的主材是二元系压电陶瓷材料 (PZT) 如
损耗，则电压的变比同输出、输入端的阻抗成正比。但是， 压变压器。这种结构的压电变压器在数伏或数十伏输入电
实际的压电变压器是存在介电损耗和机械损耗的。介电损 压时，可以获得数干伏的输出电压。图 3 列出了三种常用
耗与变压器的输出功率密切相关，机械损耗则会极大地影 的压电振子及其导纳和谐振频率的公式。将这些基本振子
关键词 ：压电变压器，压电陶瓷，技术参数，应用
中图分类号 ：TM4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1606-7517(2015)05-8-101
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能之间进行能量转换的压电效应来实现升降压的。压电效
实现电子元器件的小型、轻量、低高度和低功耗是信 息产业及其产品发展的普遍要求。电子电器产品中，电子 变压器不可或缺。传统的电磁变压器对上述要求很难满足， 因此，压电陶瓷变压器得以快速发展和被广泛应用。压电 陶瓷变压器与传统的电磁变压器比较，具有高的升压比和 小的体积，并且不产生电磁干扰。
响变压器的升压比特性。所以，压电变压器的升压比、输 进行任意组合即可制造出各种结构的压电变压器。
出功率和输出阻抗是其重要性能参数。
一个压电振子就是一个压电换能器，用来实现声能与
压电变压器有多种不同的结构形式，但其工作原理均 电能间的转换。利用声电转换的基本方程式—Ll 方程式就可以推导出常用的压电换能器的基本方
绝对禁止使用。因此，开发限制铅元素的压电陶瓷材料就
电磁变压器的工作原理如图 2(a) 所示，大家熟悉，此
成了压电变压器发展的决定因素。目前，无铅压电陶瓷材
料主要有含铋层状结构和 NBT(NaTiO3) 基两大类。
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压 电 陶 瓷 变 压 器 与 传 统 的 电 磁 式 变 压 器 比 较， 其 工
102 磁性元件与电源·2015.05
不赘述。由图 1 所示压电变压器的工作原理框图可知，驱 左半部分称为输入部分（驱动部分），右半部分称为输出部
动压电振子在输入信号的驱动下，实现着电能到机械能的 分（发电部分）。输入部分的上下两个面上都有印刷制作的
转换 ；由于输入的是交流信号，因此机械能以波的形式从 金属电极（银钯或银）。而发电部分只在最右边的端头或断
压电变压器材料、工作原理及其应用举例
Materials Operating Principle and It Applications of Piezoelectric Transformer
高奋效 供稿
摘 要 ：压电变压器是利用压电陶瓷材料自身的压电效应和逆压电效应来实现升降压的电子器件，相对于传统电磁变压 器而言，其具有升压比高、体积小，无电磁噪音污染等优点。文章介绍压电变压器及其所用铁电陶瓷材料的性能， 技术参数和发展，阐述压电陶瓷变压器的工作原理，一般等效电路和若干形式的压电变压器及其应用，并对其 发展作简要分析。
对于制作压电陶瓷变压器的材料，要求具备下列性能 特点 ：高的机电耦合系数和品质因数 ；具有良好的温度稳定 性和时间稳定性 ；具有优良的机械强度 ；良好的频率稳定性。 压电陶瓷初期的二元锆钛酸铅系 (PZT) 的性能并不能满足这 些要求，于是掺杂了其它元素的三元系和四元系压电陶瓷或 以 PT(PbTiO3) 为主体的多元系压电陶瓷被开发出来，其中 的 PT 由于其具有高的 kt/kp，能够有效地消除寄生振荡。总
其工作机理可以简单地描述为 ；当输入电极接上交流电压 效应的作用，使输入的电能变换成机械能。由于压电陶瓷
后，电压在压电陶瓷片中产生一个交变的应变场，应变场 发电部分的长度大于驱动部分的厚度很多倍，故输入阻抗
在输出电极上产生交变电压，如果不考虑电学的和机械的 远大于输出阻抗，致使输出电压大于输入电压，故成为升
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程式 ：
I=YV+Av
(1)
在日常应用中，最常见的压电变压器外形是长条形结
F=Zv-AV
(2)
构，其厚度仅有几毫米，长度则是厚度的很多倍。压电变
从上述两个基本方程式出发，利用声学元器件和电学
压器电极的分布形式基本分为对称型（Rosen 型）和非对 元器件之间的相互类比，就可以得到电—声—电转换的等
压电变压器的核心材料是具有压电效应的钙钛矿型压 之，掺杂可以得到以下好处 ；首先可减少 pbo 的挥发 ；其次
电陶瓷材料。压电变压器正是凭借铁电材料将电能和机械 是提高了材料的机械品质因数和机电耦合系数 ；三是提高了
2015.05·磁性元件与电源 101
材料的稳定性。表 1 列出了掺杂不同离子对材料的影响情况。 作原理、所用材料、产品结构以及制造工艺技术均不相
c. 输出电压 ：与设计输入电压一样，应根据使用需要 选择输出电压。
d. 结构 ：只有压电陶瓷片和电极，不用电磁式变压器 中的绕组，结构相对简单 ；其几何形状为扁平结构，外观
则是输出端变换到输入端的等效电路图。对于处于谐振状 尺寸小 ；可根据使用要求选择不同的振动模式，以控制变
态的压电变压器的升压比表达式，经推导得到的公式为 ： 压器的形状和尺寸，如以长度或宽度振动设计成长方体的
在上世纪 60 年代，压电变压器已得到应用，主要应用 于需要绝缘电阻高、耐压性能好的黑白电视机的阴极射线管 高压电源上，而其主要采用 Rosen 型横纵式结构，当时曾有 较好的发展。随着黑白电视机转向发展彩色电视机，彩电的 变压器输出功率要求大于 30W。因当时的压电材料及压电 变压器生产的工世技术水平的限制，无法开发出大功率的压 电陶瓷变压器，为此使压电变压器的研究发展陷入了滞缓状 态。直到上世纪 90 年代，压电材料及压电器件的研发条件 有了改善，使压电变压器的输出功率达到了 65W 以上。同时， 随着多种轻小型化电子设备如手机、数码相机、打印机、便 携式电脑的广泛应用，具有高升压比、功率损耗小的压电变 压器有了更多新的应用领域，因此也进一步得到发展。
K 和高 Qm 的压电材料。参考资料介绍了利用掺杂的办法制 备出了高性能的四元系压电陶瓷材料 PMMN-PZT。其分子
锆钛酸铅、三元系压电陶瓷材料 (PCM、PSM)—即在 PZT 基础上添加了其它元素的材料以及四元系压电陶瓷材料
式为 ：pb1-0.02(Mg1/3 Nb2/3)A(Mn1/3 Nb2/3)BTiCZrD O3+0.02mol% Sr(D=9A，C=D，A+B+C+D=1)，其性能参数为 K33 ≈ 0.73， K31 ≈ 10.31，Qm ≈ 3500，tgδ ≈ 0.002%。正是使用这种材料， 制成了功率高达 65W 的叠层式压电变压器。参考资料利用
材料在力的作用下（或材料变形时）产生电荷或电压（正 压电效应）；而逆压电效应是施加电压时，该材料产生变形
式压电变压器。
或振动。所以，压电陶瓷变压器的工作原理就是利用压电
随着电子工业与电子产品的发以及人类对环境保护要 陶瓷的正、逆压电效应特性，通过对压电陶瓷体的电极和
求与人类社会可持续发的需要，研发新型环境友好的压电 极化方向取向的设计，利用逆压电效应使得与输入端相连
图 1 压电变压器工作原理框图
图 2 电磁变压器和压电变压器工作原理示图
表1 掺杂离子分类及其对材料性能的影响
等价
MgO、CaO、SrO、BaO等碱土金属（取代Pb2+），Sn4+、 Hf4等（取代Ti4+、Zr4+）
等离子添加物的影响视不同离子而定。但都有以下特性：Tc↓. ε↑.d↑，c/a↓。
施主 La2O3、Nd2O3、Bi2O3、Sb2O3、Nb2O5、Ta2O5、WO3、ThO2 电容率↑、机电耦合因数↑、机械品质因数↓、老化率↓。
受主
Fe2O3、CoO
电容率↓、频率常量↑、机械品质数↑、老化率↑。
变价
Cr2O3、U2O3、MnO2
电容率↓、频率常量↑、机械品质因数↑、温度系数↓、老化率↓。
称性。Rosen 型结构的压电感应器是从中间分开，人们把 效电路图，即压电变压器的等效电路图，见图 4 所示。
图 3 常用基本振子示意图
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图 4 压电变压器的等效电路图 (a) 压电变压器的一般等效电路 ；(b) 输出端和机械系统变换到输入端的等效电路
图 4(a) 中的 Co1、Co2 分别是变压器输入端和输出端的 静态电容 ；m、Cm、Rm 分别是变压器在谐振频率附近机械 系统的等效质量、等效力距和等效电阻 ；RL 是负载电阻 ； 、φ 分别是变压器输入端和输出端的机电变换系数。图 4(b)
(PMMN) 等，它们经高温烧结和高压极化而制成产品。压 电陶瓷变压器是通过电—机—电的耦合过程实现升降压的， 其过程涉及两次能量耦合。具体地说，压电变压器是利用 压电陶瓷材料的特性——正压电效应和逆压电效应，即该
(pb0.76 Ca0.24)[(Co0.5W0.5)Ti0.96]O3+1.5mol% MnO2(K=0.49) 材料设 计制作了工作频率为 1.56MHz、振动模式为厚度振动的叠层
介，将磁场能从原边向副边传递。而压电变压器是以陶瓷 长度方向）谐振频率相同的交流电压时，由于压电陶瓷的
片为媒介，将机械能从输入端传递到输出端。以图 2(b) 的 逆压电效应，压电陶瓷体在长度方向产生机械的逆压电效
Rosen 型压压变压器为例，当其工作于串联谐振频率时， 应，压电陶瓷体在长度方向产生机械共振 ；又因为正压电
输入端传到输出端 ；发电振子在振动的激励下，实现着机 面印刷有电极。驱动部分和发电部分的极化方向不同，前