大連理工大學碩士學位論文 摘要 壓電變壓器( p t ) 是利用壓電及逆壓電效應工作的第三代變壓器，與傳統(tǒng)的電磁變壓 器相比具有功率密度高、無磁噪聲、效率高、體積小等特點，近年來在諸多領(lǐng)域得到了 廣泛的應用。壓電變壓器可分為升壓型和降壓型，其中升壓p t 還具有升壓比高的特點， 特別適合于高電壓、低電流的器件；降壓p t 可實現(xiàn)小功率a c d c 轉(zhuǎn)換。壓電變壓器的 增益及效率受負載、溫度等因素的影響，因此需配合相應的驅(qū)動控制電路才能高效穩(wěn)定 地工作。 本文研究了升壓和降壓兩類p t 的驅(qū)動控制電路，分別以冷陰極管燈和a c d c 轉(zhuǎn)換 器為具體應用，設(shè)計并實現(xiàn)了相應的驅(qū)動控制電路。 在分析升壓p t 的工作特性基礎(chǔ)上，制定出基于聯(lián)合p f m 、p w m 的控制策略。利 用p f m 使p t 的工作頻率與其諧振頻率一致，使其工作效率達到最佳，然后利用p w m 調(diào)節(jié)p t 輸出電壓。以x c 2 s 1 0 0 e 型f p g a 為控制器、利用m o s f e t 組成全橋逆變電路， 并基于閉環(huán)反饋控制，設(shè)計了以冷陰極管燈為負載的升壓p t 驅(qū)動控制電路，編制了相 應的控制算法和程序。經(jīng)測試，驅(qū)動電路可根據(jù)冷陰極管燈的負載變化自動調(diào)節(jié)p t 的 工作頻率和輸出電壓，實現(xiàn)了p t 高效率、高輸出電壓的設(shè)計目標。 為利用降壓p t 實現(xiàn)a c d c 轉(zhuǎn)換，市電經(jīng)過整流、濾波，為p t 提供直流電源；該 直流電壓經(jīng)逆變電路為p t 提供合適頻率的輸入信號；p t 輸出信號經(jīng)整流濾波后，變?yōu)?較低的直流電壓。以p i c 2 4 f 單片機為控制器，采用p w m 控制策略，以高壓m o s f e t 組成半橋逆變電路，設(shè)計了以固定電阻為負載的降壓p t 驅(qū)動控制電路。設(shè)計中，利用 電容降壓為單片機控制器提供電源，很好地解決了控制器電源問題。本文所設(shè)計的基于 降壓p t 的a c d c 轉(zhuǎn)換器，能夠穩(wěn)定地輸出低壓直流電壓，輸出功率達5 w 以上，可作 為手機等設(shè)備的電源適配器，實現(xiàn)了從市電到低壓直流電壓變換的目標。 關(guān)鍵詞：壓電變壓器；驅(qū)動控制電路；逆變電路；p w m ；a c d c 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sd r i v e ra n d c o n t r o lc i r c u i t a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ( p t ) i st h et h i r d - g e n e r a t i o nt r a n s f o r m e rw h i c hm a k e su s eo f p i e z o e l e c t r i ca n di n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t c o m p a r e dw i t l lt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r , p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rw a sa p p l i e di nm o r ea n dm o r ef i e l d sb a s e do nt h ea d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，n oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，h i g he f f i c i e n c ya n ds o m eo t h e rm e r i t s p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rc a l lb ec l a s s i f i e da ss t e p u pp t sa n ds t e p d o w np t s t h ef o r m e rp t s a r ef i tf o rt h ed e v i c ew i t hh i g hv o l t a g ea n dl o wc u r r e n t ；t h el a t t e rp t sc a nb eu s e di na c d c c o n v e r t e r s t h eg a i na n de f f i c i e n c yo fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ra r ei n f l u e n c e db yl o a d ， t e m p e r a t u r ea n ds o m eo t h e rf a c t o r s ，s oi t i sn e c e s s a r yt oc o n f i g u r ec o r r e s p o n d i n gd r i v e r c i r c u i t t h ed r i v e rc i r c u i t so fs t e p - - u pp t sa n ds t e p - d o w np t sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n d a r ea p p l i e di nc c f la n da c d cc o n v e r t e r sr e s p e c t i v e l y t h ec o n t r o ls t r a t e g yt h a tc o m b i n e dp f ma n dp w mi si n t r o d u c e db a s e dt h ec h a r a c t e r so f s t e p u pp t t h ee f f i c i e n c yc a r lr e a c h e dm a xw h e nt h ew o r k i n gf r e q u e n c yi sc o n s i s t e n tw i t h r e s o n a n tf r e q u e n c yb yp f mc o n t r o l ，a n dt h e nt h eo u t p u tv o l t a g eo fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r c a nb ea d j u s t e db yp w mc o n t r 0 1 t h ed r i v i n gc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nc l o s e dl o o pf e e d b a c k c o n t r o lw i 也c c f li sd e s i g n e d t h i sc i r c u i t a d o p t st h et y p eo fx c 2 s 10 0 ef p g aa s c o n t r o l l e ra n dm a k eu s eo ff u l l b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i tc o m p o s e do fm o s f e t t h ea r i t h m e t i c i sa l s oc o m p i l e da c c o r d i n gt op f ma n dp w mc o n t r 0 1 i ti st e s t e dt h a tt h ed r i v e rc i r c u i tc a n a d j u s t t h e w o r k i n gf r e q u e n c ya n dt h eo u t p u tv o l t a g e o f p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r a u t o m a t i c a l l y ，s ot h eg o a lo fh i g he f f i c i e n c ya n dh i g ho u t p u tv o l t a g ec a l lb ea c h i e v e d t oa p p l ya c - d cc o n v e r t e r st op t s ，m u n i c i p a le l e c t r i cp o w e ri sc o n v e r t e dt od i r e c t c u r r e n t ( d c ) v o l t a g ea f t e rr e c t i f y i n ga n df i l t e r i n g ，a n dt h i sd cv o l t a g es u p p l i e st h ep t s f o r i n p u ts i g n a l 、i t h s u i t a b l ef r e q u e n c yt h r o u g hi n v e r t e rc i r c u i t t h eo u t p u ts i g n a lo fp t s b e c o m e sl o wd i r e c tc u r r e n tv o l t a g ea f t e rr e c t i f y i n ga n df i l t e r i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h e d r i v e rc i r c u i to fs t e p d o w np t s 、析t hf i x e dl o a dt h a ta d o p t sp i c 2 4 fa sc o n t r o l l e r ，p w m c o n t r o ls t r a t e g ya n dm a k eu s eo fh a l f - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i tc o m p o s e do fm o s f e tw h i c h b e a r sh i g hv o l t a g e i ti sd e s i g n e dt h a tc a p a c i t o ri sa d o p t e dt oa c h i e v es t e p - d o w nv o l t a g e ，a n d t h i sl o wv o l t a g ew o r ka st h ep o w e rs u p p l yo fp i cm c u t h i ss o l v e dt h ep r o b l e mo ft h e s u p p l yo fc o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , t h eo u t p u tp o w e ro fd e s i g n e da c d cc o n v e r t e r sc o u l d i i 大連理工大學碩士學位論文 r e a c ha b o v e5 w i ti sv a l i d a t e dt h a tt h ed e s i g n e da c d cc o n v e r t e r sc a nb eu s e da sa d a p t e r f o rm o b i l ep h o n e sa n dc a nr e a l i z et h eg o a lo fc o n v e r t i n gm u n i c i p a le l e c t r i cp o w e rt ol o w d i r e c tc u r r e n tv o l t a g e k e yw o r d s ：p t ；d r i v e ro n dc o n t r o i ：i n v e r t e rc i r c u i t ；p w m ；a c d c 大連理工大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究 工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外， 本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請 學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻 均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 若有不實之處，本人愿意承擔相關(guān)法律責任。 學位論文題目： 作者簽名： 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解學校有關(guān)學位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，在校攻讀學位期間 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學，允許論文被查閱和借閱。學校有 權(quán)保留論文并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，可以將 本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印、或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 學位論文題 作者簽名： 導師簽名： 大連理工大學碩士學位論文 1 緒論 1 1課題背景 1 8 8 0 年法國人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應”。某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的 作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)等量異號的電 荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力 的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這 些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效 應。 壓電變壓器( p t ) 是采用壓電陶瓷材料，基于正、逆壓電效應的新型電子變壓器。根 據(jù)電壓增益的大小分為兩種：一種是由低壓變成高壓，簡稱升壓壓電變壓器；另一種是 由高壓變成低壓，簡稱降壓壓電變壓器。升壓壓電變壓器的研究從2 0 世紀5 0 年代開始， 第一個升壓壓電變壓器是由c a r o s e n 提出的，但由于受到壓電材料性能的限制以及在 升壓比、輸出功率方面的不盡人意，沒有得到人們的重視。隨著鋯鈦酸鉛等新型壓電材 料的出現(xiàn)及制作工藝的進步，升壓壓電變壓器取得了顯著的進展，已應用于液晶顯示器 背照光源、離子發(fā)生器、靜電除塵、靜電復印機、小功率激光管、高壓極化等高壓設(shè)備 中。由于手機、m p 3 等手持設(shè)備出現(xiàn)之間，小功率電源等需求較少，作為a c d c 轉(zhuǎn)換 器應用的降壓壓電變壓器，在實際應用中需求也較少，造成了降壓壓電變壓器研究的滯 后，降壓壓電變壓器現(xiàn)在仍處于研究開發(fā)階段。 壓電變壓器包括驅(qū)動、發(fā)電兩部分。驅(qū)動部分利用逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)換為機械能， 相當于電磁變壓器的原邊；發(fā)電部分利用壓電效應將機械能轉(zhuǎn)換為電能，相當于電磁變 壓器的副邊，實現(xiàn)了電壓的變換。 與傳統(tǒng)線繞變壓器相比，壓電變壓器具有電磁干擾小、體積小、效率高、壽命長、 節(jié)省有色金屬等優(yōu)點，作為液晶屏背光燈電源時，壓電變壓器的特點如表1 1 所示。 由于以上優(yōu)點，壓電變壓器在高壓發(fā)生器、背光電源、a c d c 等領(lǐng)域得到了廣泛 的應用。但同時壓電變壓器具有以下的特點【卜3 】：( 1 ) 電壓增益與負載及工作環(huán)境有關(guān)； ( 2 ) 效率與負載及工作頻率有關(guān)；( 3 ) 工作頻率較高，一般在幾十k h z 到幾m h z 不等。 這些特點決定了壓電變壓器在使用時必須有驅(qū)動控制電路，控制壓電變壓器的工作頻率 和輸入電壓的大小，從而保證壓電變壓器工作在較高的效率并且輸出電壓較為穩(wěn)定。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 表1 1 壓電變壓器與傳統(tǒng)變壓器比較 t a b 1 1 c o m p a r i n gm a g n e t i c a n dp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 本文的主要工作內(nèi)容是針對升壓和降壓壓電變壓器的應用，并根據(jù)壓電變壓器的電 氣特性，設(shè)計相應的驅(qū)動控制電路。將升壓壓電變壓器用于冷陰極管供電電路；將降壓 壓電變壓器并將其用于a c d c 轉(zhuǎn)換電路。課題的意義在于通過分析升壓和降壓壓電變 壓器驅(qū)動電路的特點，探索壓電變壓器驅(qū)動控制電路的工作特性，總結(jié)出壓電變壓器驅(qū) 動控制電路的一般方法；促進壓電變壓器商用化進程，提高電力能源利用效率，減少有 色金屬的使用。本課題受到大連市科學技術(shù)基金“低壓壓電變壓器及其驅(qū)動電路研究” 的資助。 1 2p t 驅(qū)動控制國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 升壓p t 輸入電壓一般較低，而降壓p t 輸入電壓一般高于1 0 0 v ，故二者的驅(qū)動電 路不同，需要相應的控制電路。目前國外升壓壓電變壓器驅(qū)動控制電路已經(jīng)進入商用化 階段，已出現(xiàn)專門的i c 芯片，如t i 公司的u c c 3 9 7 6 ，而降壓壓電變壓器從上世紀9 0 年代才開始受到業(yè)界的關(guān)注，研究起步較升壓p t 晚，相應的驅(qū)動電路國內(nèi)外研究較少。 1 2 1 升壓壓電變壓器 升壓壓電變壓器的驅(qū)動控制電路主要包括控制器、逆變電路、反饋電路三部分。 ( 1 ) 控制器 控制器是整個電路的核心，控制器所采用的控制策略是由壓電變壓器的特性以及所 要達到的目標所決定的。控制器主要控制變壓器的工作頻率和輸入電壓，根據(jù)不同的控 制策略可大概分為以下幾種方案： p w m 控制器 脈寬調(diào)s u ( p w m ) 是通過調(diào)節(jié)數(shù)字信號占空比改變模擬輸出電壓的一種控制方式，從 而控制和變換模擬信號的功率，是目前廣泛采用的壓電變壓器驅(qū)動控制方式1 4 7 】。在文 獻 4 a l p ，m y o u n g h w a nr y u 等設(shè)計的驅(qū)動控制電路中，采用p w m 控制的p t 系統(tǒng)如圖 大連理工大學碩士學位論文 1 2 ( a ) 所示，其主要波形如圖1 2 ( b ) 所示。通過改變開關(guān)s l 、s 2 的開斷時間，從而改變 p t 輸入電壓幅值，進而在p t 輸出端得到預設(shè)的電壓值。 p t ( a ) s i s 7 j 、 兀 ， 。 八 一一 、 、 一r _ “、 _ 、- 、一一， - _ 一一。、i v ， 、 _， t l 、， ( b ) 圖1 2 采用f w m 控制方式的p t 系統(tǒng)及主要波形圖 f i g 1 2 p ts y s t e mc o n t r o l l e dw i t hp w ma n dk e yw a v e f o r m s 考慮到壓電變壓器在諧振頻率處電壓增益達到最大且效率較高，而單一的p w m 控 制器不能根據(jù)壓電變壓器的工作狀態(tài)自動調(diào)節(jié)工作頻率，所以p w m 控制器主要應用在 負載及環(huán)境溫度變化不大的情況，否則會影響到壓電變壓器的工作效率。 p f m 控制器 脈沖頻率調(diào)鉬j ( p f m ) 控制器是根據(jù)反饋信號來調(diào)節(jié)輸入電壓的頻率。根據(jù)壓電變壓 器特性可知，改變輸入信號頻率就能改變壓電變壓器增益，從而能改變輸出電壓。目前 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 基于p f m 控制方式的p t 驅(qū)動電路較少，t o s h i y u k iz a i t s u 等設(shè)計的驅(qū)動控制電路中瞞j ， 采用p f m 控制，以一定的占空比，改變s l 、s 2 的開關(guān)頻率，p t 輸入端電壓不變，而 p t 的增益變化，從而改變p t 的輸出電壓。 t i 公司的p t 專用芯片u c c 3 9 7 6 采用壓控振蕩器( v c o ) 改變p t 的輸入信號頻率， 從而達到改變輸出電壓的目的【9 】，如圖1 1 3 所示。u c c 3 9 7 6 使p t 的基本工作頻率稍大 于諧振頻率。當取樣電阻上的電壓低于設(shè)定電壓v 佗f ，比較器輸出低電平，v c o 輸出頻 率減低，p t 輸出電壓提高。反之，v c o 輸出頻率升高，p t 輸出電壓降低。 d ci n p u t 圖1 3 采用p f m 控制方式的p t 系統(tǒng) f i g 1 3 c i r c u i td i a g r a mo fp f mc o n t r o la n dk e yw a v e f o r m s p f m 控制方式使p t 的工作頻率變化較大，所以大大降低了p t 的工作效率，存在 很大的局限性。當p t 的負載為冷陰極管燈( c c f l ) 時，p f m 控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)對p t 諧 振頻率的跟蹤，充分發(fā)揮了p t 的優(yōu)點，實現(xiàn)對c c f l 啟動以及穩(wěn)定運行的控制【1 0 1 。其 工作過程如圖1 4 所示，電路啟動時，將p t 的工作設(shè)定為b o 點，此時p t 的增印極低， p t 的輸出電壓較低；然后工作頻率逐漸降低并接近諧振頻率，p t 輸出電壓增大直到點 一4 一 大連理工大學碩士學位論文 亮c c f l ，此時工作點為b l ，c c f l 點亮后，其等效電阻較小，p t 增益降低，隨著p t 工作頻率的進一步降低到工作點b 2 ，c c f l 達到最亮。 頻率 “z ) t 圖1 4p f m 控制器實現(xiàn)頻率跟蹤 f i g 1 4f r e q u e n c yt r a c ew i t hp f m s w f u n g 等人為使壓電變壓器的工作效率最大，使用微處理器作為控制器掃描并 記錄各個工作頻率時的輸出電壓信號，然后比較找出輸出電壓最大時的頻率，最后使 p t 的工作頻率與此頻率相剛1 1 】。這種方式能夠充分發(fā)揮p t 高效率的優(yōu)點，但是不能 調(diào)節(jié)輸出電壓，應用受到了限制，但是其用微處理掃描各個工作頻率下的輸出電壓，并 找出諧振頻率的方法具有借鑒意義。 利用p f m 進行頻率跟蹤能使p t 的工作效率接近最大，充分發(fā)揮了其特點，但是 僅使用p f m 不能在滿足工作效率最大化的條件下調(diào)節(jié)c c f l 亮度，因此僅使用p f m 不 能同時滿足工作效率最大和輸出電壓可調(diào)的要求。 p w m 與p f m 混合控制器 p w m 和p f m 的有效結(jié)合能夠同時調(diào)節(jié)p t 的工作頻率和輸入電壓，克服單獨使用 p f m 或p w m 的不足。楊桁等使用p w m 、p f m 控制i c 來實現(xiàn)二者的聯(lián)合控制2 1 ，提 出在p t 的諧振頻率變化不大時，使用p w m 控制方式，反之使用p f m 控制方式，電路 框圖如圖1 5 所示。這種是p m w 、p f m 簡單結(jié)合的方式，使p t 控制策略更加靈活， 但是不能同時達到工作效率最大化和穩(wěn)定輸出電壓的要求。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 圖1 5 使用p w m p f m 聯(lián)合控制 f i g 1 5 c o n t r o lw i t hc o m b i n e dp w ma n dp f m p w m 、p f m 控制都能實現(xiàn)對p t 輸出電壓的調(diào)節(jié)，p w m 、p f m 的結(jié)合，能夠增 大p t 輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍，s u n a oh a m a m u r a 等為增大p t 輸出電壓的可調(diào)節(jié)范圍，提 出分時使用p f m 、p w m 的方法【1 3 】，當輸出電壓v f 低于設(shè)定電壓v 化f 時，使用p w m 控 制方式，反之使用p f m 控制方式，其控制原理如圖1 6 所示。 蟛 v 剛 v f k v l d 1 d 2 d 3 d 4 ，f i f i f 7 矗( l k h z ) ，放大倍數(shù) 大大降低，如圖2 3 ( d ) 所示。 蕾 勺 宣 幽 索 磚 風：矗-l k j ， z ， r 一 - i l d i j 口- c l so oo 5 j2 8 頻率偏移i d t z 圖2 3 壓電變壓器的典型特性 f i g 2 3t y p i c a lc h a r a c t e d s t i c so fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 之幽世善豢 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 ( 4 ) 效率與工作頻率及諧振頻率關(guān)系 壓電變壓器的工作頻率與諧振頻率相近時，其效率最大，如圖2 4 所示【2 4 】。 ，、 邑 分 矗 名 【口 矗 謄 2 奔( 1 ( h z ) 圖2 4 壓電變壓器工作頻率與效率關(guān)系 f i g 2 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e q u e n c ya n de f f i c i e n c yo fp t ( 5 ) 溫度特性 但是隨著環(huán)境溫度的改變及介質(zhì)損耗、內(nèi)摩擦的影響，p t 的諧振頻率及阻抗的絕 對值將隨之改變，從而影響到升壓比和效率。溫度對諧振頻率的影響約6 h z ，如圖 2 5 所示。 a 甌 輾 島 一 簿 圖2 5 壓電變壓器溫度特性 f i g 2 5t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 大連理工大學碩士學位論文 由上述壓電變壓器特性可知，壓電變壓器的最大增益頻率為諧振頻率，最大效率時 的工作頻率也接近諧振頻率，所以使壓電變壓器的工作頻率接近諧振頻率時，其狀態(tài)達 到最佳。 2 1 3 降壓壓電變壓器特性 降壓p t 與升壓p t 的電路模型相同，僅參數(shù)有所差別，所以降壓p t 的特性與升壓 p t 特性相似，降壓p t 的工作特性同樣受負載、工作頻率的影響【2 5 】，其電壓增益和效 率的頻率特性如圖2 6 所示。從圖中可以看出： ( 1 ) 諧振頻率處電壓增益達到最大； ( 2 ) 降壓p t 電壓增益隨負載電阻的增大而增大； ( 3 ) 負載固定時，工作頻率偏離諧振頻率越大，電壓增益越??； ( 4 ) 降壓p t 諧振頻率隨負載的增大而增大； ( 5 ) 降壓p t 工作頻率靠近諧振頻率右側(cè)時效率最大，諧振頻率處也可達9 0 以上； ( 6 ) 同一負載下，p t 工作頻率離最高效率頻率點越大，效率越低。 q c 葛 d r i v ef r e q u e n e y f k h z 圖2 6 降壓p t 特性 f i g 2 6 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e p - d o w np t 孓 f 分 5 o 匿 跚 本文采用本課題組自行設(shè)計制備的浮地型單向極化降壓壓電變壓器，其電壓增益的 頻率特性如圖2 7 所示。從圖中可以看出，課題組設(shè)計的降壓壓電變壓器電壓增益的頻 率特性仍然滿足上述的( 1 ) - ( 4 ) 點。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 7 07 27 47 67 88 08 2阱8 6 f h z 圖2 7 降壓壓電變壓器電壓增益的頻率特性曲線 f i g 2 7v o l t a g eg a i nv e r s u sf r e q u e n c yo fs t e p - d o w np i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 根據(jù)降壓壓電變壓器特性，在設(shè)計驅(qū)動電路時，在滿足所需電壓增益要求的前提下， 需要著重考慮工作頻率、效率問題。與升壓p t 不同，降壓壓電變壓器用于降壓領(lǐng)域且 諧振頻率處效率未必達到最大，故不需要工作在諧振頻率處，一般將工作頻率設(shè)置為略 高于諧振頻率。 2 2 壓電變壓器驅(qū)動控制電路的組成及原理 2 2 1壓電變壓器驅(qū)動控制電路組成 根據(jù)其特性可知f 2 6 1 ，壓電變壓器的工作頻率與其諧振頻率相一致時，其性能達到最 佳。目前開發(fā)出來的壓電變壓器的諧振頻率從幾十h z 到幾百k h z 不等，且對于某一變 壓器來說，其諧振頻率及增益都隨負載以及工作溫度的變化而變化，因而壓電變壓器需 要外圍電路控制其工作狀態(tài)，以達到穩(wěn)壓及高效率要求，這樣便可為其他電子器件提供 符合需要的電源。 驅(qū)動控制電路一般包括控制器、逆變電路、反饋電路等部分，如圖2 8 所示。 大連理工大學碩士學位論文 i控制器 剖逆變電路 = 一 p t =刊 負載 jl 反饋電路 驅(qū)動控制部分 圖2 8p t 及其驅(qū)動控制電路框圖 f i g 2 8 b l o c kd i a g r a mo fp td r i v i n gc i r c u i t 控制器輸出特定占空比和頻率的信號，以控制p t 的輸入電壓大小和頻率，并根據(jù) p t 副邊的反饋信號，隨時改變p t 的輸入信號特性，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 逆變電路的主要作用是將直流電壓變換為交流電壓，變換后的電壓頻率和占空比由 控制器控制。升壓壓電變壓器一般使用全橋逆變電路，這樣可以提高p t 的輸出電壓， 減小直流分量；降壓壓電變壓器一般使用半橋逆變電路，與全橋逆變電路相比，可降低 電壓，但增加了直流分量。 反饋電路的主要作用是將p t 副邊的電壓或者電流信號取出，經(jīng)過整流、濾波、模 數(shù)轉(zhuǎn)換后反饋給控制器。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路要盡量滿足以下三個條件： ( 1 ) 保證輸出電壓穩(wěn)定； ( 2 ) 保證壓電變壓器較高的工作效率； ( 3 ) 保證驅(qū)動電路本身較高的工作效率。 根據(jù)壓電變壓器特性，輸出電壓取決于輸入電壓的大小及頻率，效率取決于輸入電 壓的頻率，因此，通過驅(qū)動控制電路調(diào)節(jié)輸入電壓的大小及頻率可滿足條件( 1 ) 和( 2 ) ； 對于條件( 3 ) ，主要在驅(qū)動控制電路的逆變電路部分采用零電壓切換技術(shù)( z v s ) 。 2 2 2 壓電變壓器方波驅(qū)動原理 p t 的工作狀態(tài)可通過反饋電路提供給控制器，控制器根據(jù)反饋電路的信號，改變 p t 輸入電壓的大小和頻率，以達到控制p t 的目的。由控制器、逆變電路、反饋電路等 部分組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中，被控制量有兩個：p t 輸出電壓和p t 的工 作頻率。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 當p t 的輸入電壓為周期方波時，p t 的特性類似于帶通濾波器，與其諧振頻翠相近 的頻率能夠通過，否則將被濾除。根據(jù)傅里葉級數(shù)原理【2 7 】，一個周期為t 的非正弦周 期函數(shù)巾) ，當滿足狄利克雷條件時，就可以分解為一系列的正弦諧波，即 廠( f ) = a o + ( a 1 c o s - i - 6 ls i n r o t ) + ( 口2 e o s 2 w t 4 - b 2s i n 2 a ) t ) + + ( 吼c o s k a l t + 墳s i n k o g t ) + = + ( 鯫c o s k c o t + b s i n k a n t ) ( 2 1 ) = a + a 擁c o s ( k o j t + p k ) 式中國：孕，a o ：口。，彳腳：以忑干再，t a n 礎(chǔ)：塵。 上 “量 = 吾畿俐c 。s ( k t o t ) d ( a _ t ) ( 2 2 ) 甌= 吾匕朋) s i n ( k c o t ) d ( o j t ) ( 2 3 ) 根據(jù)式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) n - i 失l ，f ( t ) 的傅里葉級數(shù)中，其基波及一次諧波的系數(shù)最 大，所以當方波的頻率與p t 的諧振頻率相一致時，方波信號的基頻分量能夠通過p t ， 而直流分量和高次諧波會被p t 濾除，此時p t 輸入有效信號最大。 設(shè)輸入幅值為a ，周期為t ，占空比為d 的方波信號在一個周期內(nèi)的函數(shù)表達式為 們) = 佬刀o t v b ， 所以諧振頻率更接近 點，然后在 點左側(cè)取頻率點無，比較 點無點的輸出電壓。 若v a v c ，則說明a 點即是諧振頻率點，至此p f m 控制 過程結(jié)束。當諧振頻率確定后，然后調(diào)節(jié)輸入電壓的占空比，進行p w m 控制。 善v v c d v b v a f d f c a f b f 圖3 2 負載固定時的控制原理 f i g 3 2 t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ff i x e dl o a d 利用先p f m 、后p w m 控制方法可以使壓電變壓器的工作與諧振頻率一致，且輸出 電壓達到預設(shè)值，p t 輸出電壓變化如圖3 3 所示。 大連理工大學碩士學位論文 出 腳v 。 弓| 簿 時間t 圖3 3 輸出電壓隨時間變化趨勢 f i g 3 3 t h et r a c eo fo u t p u tv o l t a g e 采用先p f m 后p w m 控制的方法雖然可達到要求，但是在調(diào)節(jié)頻率過程中，輸出 電壓可能超過目標電壓v 。若壓電變壓器作為其他器件的電源，就可能造成這些器件 的損壞。所以需對上述過程改進。p f m 控制與p w m 控制交替進行的方法可消除調(diào)節(jié)過 程中的尖峰電壓，保證輸出電壓不超過目標電壓，即在進行p f m 過程中，實時檢測p t 輸出電壓，當輸出電壓超過設(shè)定電壓v 。時，利用p w m 調(diào)節(jié)p t 輸入電壓，降低p t 輸 出電壓直至低于v 。，此時從新進行p f m 控制。利用p f m 、p w m 交替進行的方法可大 大減小輸出電壓調(diào)節(jié)過程的尖峰，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)p t 工作頻率和輸出電壓。 3 1 2 變負載型 ( 1 ) p t 在驅(qū)動c c f l 的應用 多層升壓壓電變壓器的應用之一是驅(qū)動冷陰極管燈，c c f l 在被點亮的一瞬問，加 在其上的電壓非常高，一般高于5 0 0 v ，流過其上的電流近似為零，所以此時c c f l 的等 效阻抗非常大，近似于開路；當c c f l 被點亮之后，一直到達到穩(wěn)定狀態(tài)前的過程中， 工作電流逐漸增大，工作電壓逐漸降低，所以在這個過程中，其等效阻抗逐漸變??；當 c c f l 上的電壓和電流都達到穩(wěn)定值時，其等效阻抗也達到穩(wěn)定值。另外，c c f l 的亮度 隨驅(qū)動頻率的變化不大，而隨電流的變化比較大。在某特定的電流下，當p t 供給的 電壓達至i j c c f l 的維持電壓時，c c f l 的輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻特性。 因此，如果以p t 作為c c f l 的功率輸入級，n - 者可構(gòu)成極佳的配合：首先，c c f l 啟動時需要很高的啟動電壓，而這時c c f l 的等效阻抗也非常大，對于大的負載，p t 恰 好輸出高電壓，滿足了c c f l 的要求；接下來，隨著c c f l 等效阻抗的降低，p t 的輸出 電壓也會自動降低；最后，當c c f l 的等效阻抗穩(wěn)定時，p t 輸出電壓也將保持穩(wěn)。 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 一。一電壓 一一等效阻抗 氣 。卻坤一。一哪一一 5 0 m h z ( 5 ) 引腳數(shù)：1 4 4 f i g 3 6 t h ep i n so f x c 2 s 1 0 0 e 大連理工大學碩士學位論文 x c 2 s 10 0 e 的工作頻率可大于5 0 m h z ，與傳統(tǒng)的單片機等相比可大大提高控制的精 度；內(nèi)部含有l(wèi) o 萬邏輯門，為程序提供了足夠的空間。控制器主要作用如下： ( 1 ) 控制器同時需要輸出a d c 的控制信號，控制a d c 將p t 輸出電壓模擬量轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量； ( 2 ) 產(chǎn)生逆變電路控制信號時序； ( 3 ) 控制算法實現(xiàn)； ( 4 ) 接收手動調(diào)節(jié)信號。 3 2 2 逆變電路 ( 1 ) 逆變電路原理 電子電路中一般使用直流電源，而壓電變壓器的輸入必須是交流電壓，所以壓電變 壓器的驅(qū)動控制電路需要包含逆變電路。為了避免使用大容量電感，一般采用全橋或半 橋逆變電路。全橋逆變電路具有雙極性輸出、便于實現(xiàn)零電壓切換及p w m 調(diào)制等特點， 多用于升壓壓電變壓器【2 引。逆變電路原理及其輸入輸出信號時序關(guān)系如圖3 7 所示，其 中a 、b 、c 、d 分別為開關(guān)管s a 、s b 、s c 、s d 的控制輸入端，e 、f 為逆變電路輸出端， 壓電變壓器的兩個輸入端子分別與e 、f 連接。 。三睦 b 白舀 二 。c 征 c 覃d inn t 斑：口：二口三 一 。t ( a ) 逆變電路結(jié)構(gòu)b ) 控制及輸出信號時序 圖3 7 全橋逆變電路及主要波形時序 f i g 3 7f u l l - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ta n dt h em a i nw a v e f o r mo fc i r c u i t 圖中，一個n 型m o s f e t 和一個p 型m o s f e t 構(gòu)成p t 輸入電壓的一端，a 、b 信號相同時，e 端電壓信號與a 、b 端反相，c 、d 信號相同時，f 端信號與c 、d 端反 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 相；a 、b 信號與c 、d 信號相反時，e 、f 就會有壓差，這樣便可以為p t 提供輸入電 壓信號。為減小m o s f e t 管自身功耗，a 、b 端信號加入一定的死區(qū)時間t d ，同理，c 、 d 信號之間也要加入一定的死區(qū)時間t d ，如圖3 7 ( b ) 所示。 ( 2 ) 逆變電路器件選擇 逆變電路開關(guān)管的選擇直接影響其逆變的效率，開關(guān)管可使用晶體管、m o s f e t 等，其中功率m o s f e t 由于具有以下特點而被本文選用t m o s f e t 是電壓控制型器件( 雙極型是電流控制型器件) ； 輸入阻抗高，可達1 0 8 q 以上； 工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高( 開關(guān)時間為幾十納秒到幾百納秒) ，開關(guān)損耗小； 功率m o s f e t 耐壓較高，可達幾十到幾千伏； m o s f e t 的導通電阻小，可承受大電流。 但是m o s f e t 作為開關(guān)管存在一些固有問題，針對這些問題，本文提出了相應的 解決措施。 開關(guān)損耗 不管是n m o s 還是p m o s ，導通后都有導通電阻存在，因而在源漏極間流過電流 的同時，兩端還會有電壓，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫 做導通損耗。選擇導通電阻小的m o s 管會減小導通損耗。 m o s 導通和截止不是在瞬間完成的，m o s 兩端的電壓有一個下降的過程，流過的 電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，m o s 管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開 關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。圖3 8 是 m o s 管導通時的波形。可以看出，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就 很大。降低開關(guān)時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間 內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。本文中，由于p t 的工作頻率相對穩(wěn) 定，所以可以減小開關(guān)管開關(guān)時間來降低損耗。 m o s 管驅(qū)動 功率m o s f e t 是電壓型驅(qū)動器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因 而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但功率m o s f e t 的極間電容較大，其 柵極輸入端相當于一個容性網(wǎng)絡，m o s f e t 管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電， 它的工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。m o s f e t 的輸入電容已經(jīng)固定，只能通過減小輸 入回路電阻來提高開關(guān)速度。實際上，一般使用m o s f e t 作為開關(guān)管時，都會使用專 門的驅(qū)動電路來驅(qū)動m o s f e t ，提高其開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗。 大連理工大學碩士學位論文 圖3 8 開關(guān)管的損耗示意圖 f i g 3 8 s k e t c hm a po fw a s t a g eo fs w i t c h m o s e t 一般的柵源極開關(guān)電壓為4 6 v ，對于電源電壓為5 v 的系統(tǒng)很難達到開 關(guān)閥值。所以必須選用低開關(guān)電壓型m o s f e t 。 所以本文選用t c 4 4 2 7 作為m o s f e t 的驅(qū)動器，選用n t h d 3 1 0 2 c 作為開關(guān)管。 t c 4 4 2 7 主要特性如下： 峰值輸出電流t1 5 a ； 電源電壓t4 5 1 8 v ； 負載能力：10 0 0 p f 時小于2 5 n s ； 輸出電阻：7 q ； 且單個芯片內(nèi)含有兩路驅(qū)動器，其內(nèi)部原理及引腳圖如圖3 9 所示。 n c l na g n d i nb 圖3 9t c 2 2 4 7 內(nèi)部原理及引腳圖 f i g 3 9 i n t e r n a lp r i n c i p l ea n dp i n so ft c 2 2 4 7 n t h d 3 1 0 2 c 主要特性如下： 單片集成p m o s f e t 和n m o s f e t ； 壓電變壓器驅(qū)動控制電路設(shè)計與應用 源漏極最大電壓：2 0 v ； 典型輸入電容：5 1 0 p f ； 源極最大電流：2 3 a ； 柵極開關(guān)電壓：1 2 v ； 其內(nèi)部原理及引腳如圖3 1 0 所示。 g ，殳g 2 曼 圖3 1 0n t h d 3 1 0 2 c 內(nèi)部原理及引腳圖 f i g 3 10 i n t e r n a lp r i n c i p l ea n dp i n so fh t d d 310 2 c o l d d 2 0 2 逆變匹配網(wǎng)絡 由于全橋逆變器輸出的是方波電壓，而驅(qū)動p t 最好使用與p t 諧振頻率相同的正 弦電壓，所以有必要在p t 與全橋逆變器之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡，濾除( 或衰減) 方波電壓中 的高次諧波成分，使其變成p t 所需的正弦波【2 9 1 。另外，為了提高逆變效率，避免硬開 關(guān)方式所產(chǎn)生的開關(guān)損耗大、尖峰電壓或電流以及電磁干擾等問題，全橋逆變器的四個 開關(guān)管必須采用軟開關(guān)方式。 軟開關(guān)技術(shù)從原理就是利用電容與電感諧振，使開關(guān)器件中電流( 或電壓) ，按正弦 或準正弦規(guī)律變化。當電流過