6圆盘形弯曲振动压电变压器等效电路及特性研究黄以华施俊2.周康源21.中山大学电子与通信工程系，广东广州52752.中国科学技术大学电子工程与信息科学系，安徽合肥230027推导过程中，得到了该器件的等效电路，并通过实验研宄验证了该等效电路的正确性。此外，文中的理论分析与性能测试还证明，弯曲振动压电变压器对于防止器件损坏减小介电损耗提高效率都有定的作用1引言传统的纵向振动压电变压器以及近两年来在国际上出现的径向振动压电变压器在应用过程中常常存在几个问比较大；3实际功率传输能力不足；4功率较大时器件容易损坏。这几个问严重影响了压电变压器在功率电子系统中波设计出来。

　　2器件结构圆盘形弯曲振动压电变压器输入部分为夹心式叠层结构，即在两层压电陶瓷圆片中间通过导电胶粘合层金属圆片，圆片的直径略大于压电片的直径。采用这种结构，有很多好处首先，中间的金属夹层特别有助于器件在功率电子系统中的安装，借助于中间金属层的边缘，整个压电变压器可以牢固连接在电子设备中的支架点上，减少因振动而产生的诸如支撑点位移而效率降低电极引线焊点松动压电片开裂失效等现象的发生，从而提高器件的可靠性；其次，功率传输能力明显提高，因为该结构的器件在工作时，所依赖左右，要比横向机电耦合系数如大近倍31的值多在0.338左右，这样，该器件在个工作周期内，对于同样的输入功率，器件的电机能量的转换值可提高近倍，另外由于有属圆片的在，的有效值比，属叫片的陶瓷振子大约6，这又进步提高了实际的机能量的转换效率；第，器件的内部损耗有定的减小，因为输入和输出部分都是叠层结构，相同部分的各层之间从电路的角度来看是并联结构，这在器件的等效电路中相当于将各压电片的损耗电阻进行并联，因而总的损耗电阻可以得到定的减小。输出部分则在输入部分的两个端面上分别粘接片压电陶瓷片，整个器件的结构在1出。

　　分解中位面输出部分压电变压器及等效过程3等效电路特性研究通常情况下，我们可以列出变压器的压电方程和运动方程并求解，然后通过机电类比来得到这种类型压电变压器的等效电路。但是对于弯曲振动模式而言，这样的过程将是极其复杂的，并且很难得到解析解，从而影响等效电路模型的正确性。文献5人给出了圆片晶体振作1曲振动时的乜动方祝的解析解，只要对该解析解做适当的处理，同时将变压器分解成输入和输出部分，再分别等效成中位面上的两个等效系统如等效电路便不难求出，那么这种类型压电变压器的各种特性就可以很容易得到。详细推导过程不再赘述，此处我们只给出主要结果。

　　J输入部分在交变电压的作用下。输入部分1作时的所满足的机电方程为。

　　电流，中位面上的参考速度，压电变压器的输入电玉，输入电界输入部分的变几比。

　　芩虑到能贵损耗电阻尺=，=人。，办，要；热效应，辐射功率很小，因而忽略不计人则圆盘弯曲振动压电变压器输入部分的等效电路为41特性参数为了研宄该压电变压器的特性，我们采用不同的材料制作了1和2两个样品，各样品的几何参数及材料特性参数分则采用以0公司的0，コ陶瓷材料，2样品的输入与输出部分邡采用材料。

　　输入输出输入输出相对介电系数8介电损耗屯5机电耦合系数品质因数，1压电常数扪1居里点厂，压电片直径压电片厚度金属片直径化金属片厚度4.2电压传输特性32输出部分与3.1类似，输出部分工作时同样满足机电方程其中，广等效系统上的作用力压电变压器的输出电流中位面上的参考速度，压电变压器比。

　　杆现；1忒及夸。8能损耗1.输出部分的等效电路为刚度。因为输入与输出部分的等效系统之间满足边界条件。厂测试结果6.中显，本文所提出的圆盘弯曲振动压电变压器己具备升高电压的作用，其升压比为57之间，而且测试值与理论值的差别不大，并呈现较强的线性。7为样品2的测试曲线，与样品1相比显然样品2的升压比要小得多，这主要是由于输出部分材料不同所致。

　　4典，3，4可，5淡样品的升压特性负载甩抗汰频率特性45应用目前压电变压器多用于微型0，0，虬甩amp；0，缏分校，过1技术将驱动和控制电路集成起来，开关模块的重量含压电变压器已经降到了几克，这对于些特殊应用场合具有现实意义。在这领域，国际上已有些成熟的产品，可是数量和品种都不多。可以说，关于压电变压器的应用研宄仍处于个发展阶段。是在互联网上已经可以找到些大公司。

　　如3正阳顺及的研宄报告。基于上述原因，我们也对与控制这问本身就是个值得研宄的课，目前很难确定哪种驱动和控制方式是佳的，因此本文仅给出个实验电路，有关配套电路驱动控制及输入输出端匹配网络的优化设计问正是我们下阶段的研宄课。

　　43频率特性值。可以看出，器件的谐振频率为出2左右，而1样品的有效直径仅为10，这说明该结构的压电变压器确实能够以小尺寸实现低频振动的的。

　　44功率特性功率特性的测试曲线9，圆点为仿真值，角位测试值。显然可以看到。曲线也坫叫下凹的，功率低点出现在负载为2，左右，这和理论曲线的走势是基本致的。另外我们测试了器件在大功率输入情况下的稳定性，试验中可以观察到，即使在数十瓦的输入功率下，器件物理结构仍然完好，只是此时发热严重，器件面非常烫手，但未出现裂痕。

　　5结论曲振动压电变压器，经过理论分析和实验研宄，证明该器件对于解决支撑点稳定性减小损耗提高效率都有定的作用，同时我们也发现，器件的某些性能还有待进步提高。另外文中对该器件的应用也作了初步的探讨，有关配套电路的优化设计工作将在今；的研究中进行。

　　4j张沛霖，张仲渊。压电测量1.北京国防工业出版社，1983.

　　6压电9凡8014.汗，静，肥植岙黄以华男，1973年4月生于福建省福清市，2002年毕业于巾酣学技术大学电子工程与贫信息科学系，获博士学位。现为广州中山大学电子与通信工程系讲师。主要研宄方向为固态超声电子器件及微波器件。

　　施俊男，1977年4月生于江苏南通，现为中国科学技术大学电子工程与信息科学系博士生，主要从事超声影像医学诊断系统及超声电子器件的研宄工作，目前在香港城市理工大学作访问研宄。

　　周康源男，1941年生于上海，1964年毕业于上海交通大学水声工程专业，现为中国科学技术大学电子工程与信息科学系教授，博士生导师，主要从事超声及其相关领域的研宄工作。