具有高的有效機電耦合系數的壓電變壓器制造技術

本發明專利技術涉及壓電變壓器（100），包括適于以基礎厚度模式運行的細長壓電陶瓷體（102）。該細長壓電陶瓷體（102）包括耦合至相鄰布置的第一（114）和第二（116）輸出部的中央輸入或初級部（112）。通過提供大于次級側機電耦合系數keff_S的初級側有效機電耦合系數keff_P，實現了高功率轉換效率和零電壓開關能力。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】具有高的有效機電耦合系數的壓電變壓器
本專利技術涉及壓電變壓器，其包括適于以基礎厚度模式運行的細長壓電陶瓷體。細長壓電陶瓷體包括耦合至相鄰排列的第一和第二輸出部的中央輸入或初級部。通過設置初級側有效機電耦合系數keff P大于次級側有效機電耦合系數krff s，實現了高功率轉換效率和零電壓開關能力。
技術介紹
壓電變壓器被稱為諸如AC-AC升壓或降壓轉換器、DC-DC升壓或降壓轉換器、或AC-DC升壓或降壓轉換器的功率轉換器中的電磁元件的替代品。因為功率轉換是基于壓電效應的，所以相比于其磁性對口，壓電變壓器具有諸如傳導和輻射EMI的低水平等若干優點。就像基于磁性的功率轉換器的情況一樣，在許多應用中壓電變壓器的尺寸和電轉換效率是最為重要的。壓電變壓器包括成形為聲波諧振器的壓電陶瓷材料，其基礎諧振頻率通常遠遠高于可聽頻帶。壓電陶瓷材料成形為壓電體，其可以表現出動能的高密度存儲。壓電變壓器本質上有電容性，這意味著到輸入驅動器的切換模式運行功率晶體管的電接口可以有利地用一定的預防措施，以獲得所謂的零電壓開關。本專利技術基于關于壓電變壓器的零電壓開關系數(表示為“ZVS系數”)的物理性的新見解。本專利技術人已經證實，通過配置或設計壓電變壓器使得該壓電變壓器比從變壓器提取能量更容易地向變壓器提供能量，壓電變壓器在特定或預訂頻帶或頻率范圍表現出電感輸入阻抗。換句話說，可以強制壓電變壓器顯示偽電感行為。在數學術語中，該約束可以通過有效和直觀的數學表達式來進行表示，上述數學表達式將所需的電感行為與壓電變壓器的初級側有效機電耦合系數krff P和次級側有效機電耦合系數krff s之間的關系關聯。此外，壓電變壓器的初級和次級側有效機電耦合系數可以涉及其ZVS系數，ZVS系數指示壓電變壓器的電感。ZVS系數指示給定的壓電變壓器設計如何有效的使能電耦合至壓電變壓器的輸入部的輸入驅動器(諸如基于MOS或IGBT晶體管的驅動器)的零電壓開關或軟開關。驅動器中的這種零電壓開關的實現是非常有利的，這是因為，其有助于基于壓電變壓器及其相關驅動器的完整功率轉換器的高功率轉換效率。專利技術人的見解已經使能了具有拓撲結構的細長深度模式壓電變壓器的新一類設計，同時如下面進一步詳細說明的，呈現出高ZVS系數和高功率轉換效率。從本質上說，該屬性確保了與輸入驅動器相關的電切換損耗和壓電變壓器的轉換損耗的組合優化。這一類細長壓電變壓器的內在偽電感或電感的行為允許基于其的功率轉換器在沒有普通的外部串聯電感器的情況下運行，同時保持功率轉換器的輸入驅動器/半橋部分中的零電壓開關操作。功率轉換器在沒有普通的外部串聯電感器的情況下以良好的功率轉換效率運行的能力，意味著幾個顯著優勢，諸如尺寸更小、高度尺寸可自由選擇、無功線圈電流引起的電感損耗減小等等。另外，因為消除了功率轉換器中的外部磁性部件，因此沒有了普通的外部串聯或并聯電感器，會導致較低水平的傳導和輻射EMI。W02010/097407描述了一種用于基于半導體的光源的壓電變壓器。所采用的壓電變壓器基于ZVS系數為100%和120%的環形壓電體。US2010/0328969描述了一種電功率轉換器，其包括由具有突發頻率和基本恒定的激勵頻率的輸入電壓信號驅動的壓電變壓器。公開了 ZVS系數為大約100%或120%的環形厚度模式壓電變壓器。論文“ParameterizedAnalysis of Zero 伏特 age Switching in ResonantConverters for Optimal Electrode Layout of Piezoelectric，，ISBN:978-1-4244_1667-7公開了以厚度模式運行的環形PT的設計。US6, 215, 227公開了一種輸入部布置在一對相鄰的輸出部之間的矩形厚度模式壓電變壓器。輸出部的相對端面具有隨附的末端大質量，以增大壓電變壓器的厚度并且減小其共振頻率。US5, 440, 195公開了一種矩形陶瓷壓電變壓器，在長度方向偏振的輸出部排列在一對相鄰的輸入或驅動部之間。驅動部具有多層電極結構并且以平面模式運行。
技術實現思路
本專利技術的第一方面涉及壓電變壓器，包括:適于以基礎厚度模式運行的細長壓電陶瓷體。該細長壓電陶瓷體包括:中央輸入部，在大致平行于細長壓電陶瓷體的縱向主體軸的方向偏振。輸入部包括第一和第二輸入電極，用于沿中央輸入部的偏振方向向中央輸入部施加電場。第一輸出部在大致平行于縱向主體軸的方向偏振，并且第一輸出部布置為在第一連接表面抵接中央輸入部。第一輸出部進一步包括第一輸出電極。第二輸出部在大致平行于縱向主體軸的方向偏振。第二輸出部布置為在與第一連接表面相對布置的第二連接表面抵接中央輸入部。第二輸出部進一步包括第二輸出電極。另外，初級側有效機電耦合系數keff P大于次級側有效機電耦合系數keff—s，其中本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電變壓器，包括：細長壓電陶瓷體，適于以基礎厚度模式運行，包括：中央輸入部，在大致平行于所述細長壓電陶瓷體的縱向主體軸的方向偏振，所述輸入部包括第一輸入電極和第二輸入電極，用于沿所述中央輸入部的偏振方向向所述中央輸入部施加電場，第一輸出部，在大致平行于所述縱向主體軸的方向偏振，所述第一輸出部布置為在第一連接表面抵接所述中央輸入部，并且包括第一輸出電極，第二輸出部，在大致平行于所述縱向主體軸的方向偏振，所述第二輸出部布置為在與所述第一連接表面相對布置的第二連接表面抵接所述中央輸入部，并且包括第二輸出電極；其中初級側有效機電耦合系數keff_P大于次級側有效機電耦合系數keff_S，其中keff_P=1-fres_p2fanti-res_p2]]>keff_S=1-fres_s2fanti-res_s2]]>fres_p=具有短路的輸出電極的壓電變壓器的輸入電極處的諧振頻率和阻抗函數的最小幅度的頻率，fanti?res_p=具有短路的輸出電極的壓電變壓器的輸入電極處的反諧振頻率和阻抗函數的最大幅度的頻率，fres_s=具有短路的輸入電極的壓電變壓器的輸出電極處的諧振頻率和阻抗函數的最小幅度的頻率，fanti?res_s=具有短路的輸入電極的壓電變壓器的輸出電極處的反諧振頻率和阻抗函數的最大幅度的頻率。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.08.09 EP 11176929.5;2011.08.09 US 61/521,6351.一種壓電變壓器，包括: 細長壓電陶瓷體，適于以基礎厚度模式運行，包括: 中央輸入部，在大致平行于所述細長壓電陶瓷體的縱向主體軸的方向偏振， 所述輸入部包括第一輸入電極和第二輸入電極，用于沿所述中央輸入部的偏振方向向所述中央輸入部施加電場， 第一輸出部，在大致平行于所述縱向主體軸的方向偏振， 所述第一輸出部布置為在第一連接表面抵接所述中央輸入部，并且包括第一輸出電極， 第二輸出部，在大致平行于所述縱向主體軸的方向偏振， 所述第二輸出部布置為在與所述第一連接表面相對布置的第二連接表面抵接所述中央輸入部，并且包括第二輸出電極；其中 初級側有效機電耦合系數keff P大于次級側有效機電耦合系數keff s，其中 2.根據權利要求1所述的壓電變壓器，其中，所述初級側有效機電耦合系數keffP大于0.3或30%，或者大于0.35或35%，優選地大于0.4或40%，更優選地大于0.5或50%或者0.6 或 60%ο3.根據權利要求2所述的壓電變壓器，其中，所述中央輸入部包括表現出大于0.60的k33機電耦合系數的硬摻雜壓電陶瓷材料，諸如壓電陶瓷材料NCE40、NCE41、Pz26或NCE46。4.根據權利要求2或3所述的壓電變壓器，其中，所述初級側有效機電耦合系數krffP比所述次級側有效機電耦合系數krff s大至少10%。5.根據權利要求4所述的壓電變壓器，其中，所述初級側有效機電耦合系數keffP比所述次級側有效機電耦合系數keff s大12%至80%。6.根據上述權利要求中任一項所述的壓電變壓器，其中，所述細長壓電陶瓷體被成形和尺寸化為提供大于100%、優選地大于120%、諸如大于150%或200%的零電壓開關系數(ZVS系數)； 其中，所述ZVS系數在匹配的負載條件下確定為: 7.根據權利要求5所述的壓電變壓器，具有大于125%的ZVS系數； 其中，所述中央輸入部的容積占據小于50%的所述細長壓電陶瓷體的容積。8.根據上述權利要求中任一項所述的壓電變壓器，其中，所述細長壓電陶瓷體的長度大于所述細長壓電陶瓷體的諸如厚度、寬度或直徑的任意其他尺寸。9.根據權利要求8所述的壓電變壓器，其中，所述細長壓電陶瓷體的所述長度至少是其任何其他尺寸的兩倍大。10.根據上述權利要求中任一項所述的壓電變壓器，其中，所述細長壓電陶瓷體形成為各向異性壓電化合物的單個整體加工體，并且在所述第一連接表面和所述第二連接表面處沒有任何接點或接頭。11.根據權利要求1至9中任一項所述的壓電變壓器，其中，所述細長壓電陶瓷體由在一個或多個相應邊緣表面彼此粘接的2至5個單獨的壓電陶瓷結構形成。12.根據權利要求10所述的壓電變壓器，其中，所述中央輸入部包括通過在所述中央輸入部的長度方向堆...

【專利技術屬性】
技術研發人員：卡斯佩爾·辛丁·邁爾，
申請(專利權)人：諾力克有限公司，
類型：發明
國別省市：丹麥;DK