基于壓電陶瓷變壓器的小型高壓電源

2019-11-03 10:00:20

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供稿：網友

侯志俊

西安微電子技術研究所，陜西西安710054

　　1引言

　　在一些小型電子測量儀器中，經常需要用到電壓為幾千伏特、電流為微安級的高壓電源，我們通常稱這類電源為小高壓電源。這些小高壓電源目前多采用傳統的繞線式變壓器進行交流升壓，再經過整流倍壓達到所需要的電壓值。倍壓次數可為2倍～6倍。由于繞線式變壓器的升壓繞組的導線很細，匝數又多，所以繞制和浸漬工藝中的某些缺陷會造成質量隱患，在變壓器使用一段時間后會形成匝間短路打火，導致變壓器失效，影響儀器使用的可靠性和安全性。現在，有一種新的升壓元件可供選擇，即片式壓電陶瓷變壓器（簡稱壓電陶瓷變壓器）。

　　壓電陶瓷變壓器作為一種新型電子變壓器元件的歷史并不算太短，但進行工業化生產和大范圍應用則是近幾年的事。現在，利用其獨特的性能制作的小高壓電源已經成功地使用到液晶顯示器的背光電源和正負離子發生器等眾多領域，形成一個新的產業。以下就如何應用壓電陶瓷變壓器作些扼要介紹。

　　2壓電陶瓷變壓器的驅動原理

　　2.1諧振工作原理

　　壓電陶瓷變壓器不論單層（PT）或多層（MPT）使用時都要在輸入端施加交流電壓（或脈沖）U1，而且所施加的電壓頻率與變壓器諧振頻率相同。在此電壓的作用下,壓電變壓器產生逆壓電效應，形成機械振動，此振動波沿變壓器縱向傳遞，形成正壓電效應，到達輸出端，在輸出端產生交流正弦波輸出電壓U0。電壓U0是U1的n倍，n為升壓比。目前，單層變壓器的升壓比可達到200倍以上，多層變壓器則可以達到更高。

　　2.2壓電變壓器的基本驅動方式

　　單層和多層壓電陶瓷變壓器的驅動方式有所不同。因其功率較小，單層結構的可用單管單端驅動方式。多層結構的更多的是采用雙管推挽驅動電路。也有采用四管橋式驅動形式的電路。基本驅動電路如圖1所示。

　　2.3對驅動專用IC的要求

　　初期，人們利用現有的資源，采用通用開關電源PWM控制IC，再附加外圍電路來驅動多層壓電變壓器，達到了一定的技術水平。隨著技術的進步和要求保護功能更加完善，各大公司紛紛推出自己的專用IC，使驅動技術上升到一個新的水平。國外典型的專用IC有HLMM936、UCC3976和KPA9000A等。從實際使用角度看，對此IC的主要要求有：

　　（1）具有較寬的輸入電壓適應范圍

圖1基本驅動電路

圖2高壓電源原理圖

　　輸入電壓從2V～6V或6V～18V，以滿足使用鋰電池的小型設備和大型設備的不同要求。在輸入電壓從小到大的變化過程中，IC內部應具有前饋功能，自動調節輸出驅動信號的脈沖寬度，使負載功耗基本恒定，而不需要靠后級的反饋再來進行調節，縮短系統的調節時間,使系統對電壓變化的適應性能提高。

　　（2）自動掃頻和跟蹤功能

　　使變壓器始終工作在準諧振狀態。由于壓電變壓器的特點是只有工作在其諧振頻率時輸出電壓才會最高。但是，在實際工作中，隨著時間和環境溫度的變化，其固有諧振頻率都會有小的變化。同時為了生產的方便，減少調試工作量，也需要IC能夠自動完成頻率掃描和跟蹤功能。

　　（3）完善的保護功能

　　壓電變壓器是電壓輸出器件，內阻較高，所以，在負載開路時輸出電壓很高。為了避免過高的輸出電壓引起自身和外圍元件的損壞，IC應能夠檢測到負載狀況是否開路，若開路時，則IC應能夠在一定時間內關斷對變壓器的激勵。同時還應具有過電壓和過電流保護功能。

　　（4）調功功能

　　在背光電源應用中，由于負載為冷陰極燈管，在高壓作用下，冷陰極燈管產生輝光放電，其閃爍頻率與電源頻率相同，當其閃爍頻率在200Hz以上時，人的眼睛已感覺不到其閃爍變化。所以，可以采用斷續供電的方式來降低電源的功耗。這種功能在采用電池供電的設備中尤為重要。

　　3由單端軀動電路推動多層變壓器制成的高壓電源

　　在該電源中升壓元件采用多層變壓器，電路為單端軀動工作方式，因而具有電路簡單、工作可靠性高的特點，電路原理如圖2所示。其中，Q1、Q2分別為NPN和PNP三極管組成的互補輸出，用來驅動MOSFET管Q3。這里，Q3工作在開關狀態。IC1為專用IC，其輸出振蕩頻率f0跟蹤變壓器諧振頻率。輸入U1為高電平時，Q1導通，Vcc經過R、Q2向Q3柵極電容器Cgs充電,當柵極電壓達到開啟電平時，Q3導通，在電感器L中儲能，當U1為低電平時，Q1截止，Q2因射極電位高于基極而導通，為Q3柵極電容器Cgs提供放電通路，使Q3柵極電位下降，使Q3截止。由于Q3截止，流過電感器L中的電流Ids突然下降為零，所以在電感器L中產生反電勢，此脈沖電壓加在變壓器的輸入端，其幅度為Vcc的2倍左右。二極管D1、D2對變壓器輸出的交流正弦波電壓進行整流倍壓后向電容器C充電，Ra、Rb為取樣反饋電阻器，通過IC對振蕩器輸出信號進行斷續控制，使高壓電原的輸出電壓維持在穩定狀態。如某專用電源要求輸出電壓達到穩定值3000伏時的時間,在環境溫度為－40℃～＋60℃的范圍內，過渡時間不大于200ms。實際上已經達到小于150ms，在常溫下僅為75ms。該電源采用了KH3005變壓器。這是一種多層壓電陶瓷變壓器，其尺寸為30（L）×5（W）×2.6（H）（mm3），額定功率為3.5W，最大輸出功率為4W，諧振頻率為55kHz，輸入電容為180nf，輸出電容為26pf。由于該電源的體積只有30（L）×30(W)×6.5(H)（mm3），因而特別適合于一些對體積要求嚴格的應用場合。

　　
摘自《電子元器件應用》

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