维普资讯 http://www.cqvip.com 电子变压器 小型化发展趋势 口成龙 电子变压器是各类变压器在 变换元件，其原理为利用压电材 极化损耗，则可获得大功率、低损 电子设备中的统称。目前，国内生 料（晶粒呈亚微米级精细锆钛酸铅 耗的输出。主要研发集中在新型 产的电子变压器仍以数十年的传 ＰＺＴ压电陶瓷、铌镁ＰＺＴ等改性 压电材料，压电变压器工作模式 统产品居多。主要是采用矽钢片、 材料及其它新型压电材料）的压电 改进和应用线路以及其物理模型 铁氧体、漆包线、塑料骨架为原材 性能，实现电能、机械能、电能之 的建立等方面。对其材料的要求 料的电磁式电子变压器，产品体 间的转换。多层压电陶瓷变压器 是较高的厚度机电耦合系数Ｋｔ， 积大而笨重，转换效率不高。随着 成为国内外厂商的研发热点。与 低的径向机电耦合系数Ｋｐ，大的 集成电路超大规模化及片上系统 常规的电磁变压器相比，压电变 各向异性Ｋｔ／Ｋｐ，以得到更高的转 集成以及各种电子元器件片式化， 压器尺寸小，在高频范围能量密 换效率，材料的机械品质因数Ｑｍ 印制电路板ＰＣＢ表面安装高密度 度大，升压比大，转换效率高，输 高．同时介质损耗ｔｇ ６小，可减少 化的飞速发展，整机厂商对电子 出波形好，耐高温，阻燃，使用时 热损耗：致密性要好，提高力学强 变压器的微、小型化需求日趋迫 不会击穿，无铜耗及电磁噪声；结 度；介电常数小．以利高频工作： 切，市场需求拉动这类产品向轻 构简单，不用磁芯，易批量生产， 居里温度高，提高其工作稳定性。 薄微型、高频化、低损耗、表面贴 能节约有色金属，特别适用于电 压电变压器的分类根据结构 装以及新材料、新结构方向突飞 子信息领域。 的不同，可分为纵纵式、横纵式、 猛进。 压电变压器的理论研究表 横横式、环状式等压电变压器。最 明：若材料具有高的机械品质因 常用普通的横纵式（罗森型）结构 Ｉ Ｉ；Ｉ Ｕ变 ￣Ｉ ＩＩＩ 数和机电耦合系数Ｋ，则可获得高 由左端驱动和右端发电两部分组 的转换效率和升压比；如果压电 成，前者部分的上、下两个端面都 压电变压器是一个固体机电 变压器具有大的振动面积，低的 有烧渗的银电极，沿厚度方向极 ｗｗｗ．Ｃｈｉｎａｔ：Ｍ．ｃｏｍ．ｃｎ 叩日，露．子ｆＩ９任・基础电子Ａｐｒｉｌ ２００６ ５５ 维普资讯 http://www.cqvip.com ａ ｒｋｅｔ Ｗ．ａｔｃ！ 化 作为电压输入端 后者部分的 改进其早期有机粘结剂粘结几个 商业化生产的多层片式压电 右端有烧渗的银电极 沿长度方 单层压电元件 组成多层压电陶 陶瓷变压器的应用市场以升压型 为主．一般输入几Ｖ至数十Ｖ的 向极化．作为电压输出端。当交变 瓷变压器的性能低、性能不稳定、电压加到上述输入端时．逆压电 无法规模生产等不足。多层陶瓷 交变电压．可获得数千Ｖ以上的高 效应产生沿长度方向伸缩振动 内电极结构用于压电变压器的驱 压输出．出现具有３００～５００倍升 使输入电能转换为机械能 而发 动与发电部分 通过调整陶瓷的 压比的产品。多用于笔记本电脑、 ＤＣ电 电部分通过正压电效应．使沿长 层数可有效地改变其输入和输出 液晶显示器、数码相机、ＤＣ／度方向伸缩的机械能转换为电能。 阻抗，从而改变输入和输出电压 源等产品中。在计算机、手机、摄 实现输入与输出之间的电压和电 流大小变换的功能。 按升压比的不同 压电变压 器产品分为升压和降压两大类系 列。前者一般工作在超音频范围 后者则工作在工频范围内。ＰＺＴ 是目前应用较广泛的压电材料 基本上由压电陶瓷变压器尺寸决 定其输出功率 功率密度为ｌ５Ｗ／ ｃｍ －２０Ｗ／ｃｍ 左右 制备输出功 率在ｌ０Ｗ以下的产品比较适合 采用ｌ０Ｗ以下的压电变压器生产 的电源产品．厚度可降至５．５ｍｍ． 并成完成电流变换、阻抗变换等 功能．３０Ｗ以上的产品相对比较 少。理想的功率转换效率可接近 ｌ００％．环状压电陶瓷变压器功率 密度为４０Ｗ／ｃｍ ，转换效率达 ９８％。压电变压器产品也可按高 频、低频、宽频带等各种特征用途 分类．研发方向主要集中在尺寸 微小型化．高输出功率，高转换功 率，宽频带以及低温烧结温度诸 多方面。 ｊｆ；ｊ ：ｉｌ ｝ｌｉ Ｉ ｝ Ｊ 尘１． １： 为提高变压器的负载功率． 研发多层结构产品．现制备多层 片式压电陶瓷变压器的主要技术 源自多层片式电容器生产工艺。 ５６ Ａｐｒｉｌ ２００６ 田毒孑南协 及电流的变化．更易于获得高的 升压比和大的输出功率（低的降 压比和大的输出功率）以及负荷 阻抗匹配．整体性能提高而体积 明显减小。由Ｎ层陶瓷与内电极组 成的多层片式结构 各电极间采 用叉指方式交替地连接 当多层 压电陶瓷与单片压电陶瓷片的总 厚度相同时．前者的等效压电系 数ｄ３３比后者提高Ｎ倍 电容提高 Ｎ 倍 电压下降了Ｎ倍（陶瓷承 受相同的电场）．片式叠层结构易 于改变压电系数、电容和电压的 大小。而且 当元件厚度一定时， 其升压比与电极层数成比例。多 层片式压电陶瓷变压器已经成为 主流研发方向，专利申请数量每 年急剧上升。 在单层罗森型压电变压器的 基础上．研发出多层罗森型产品 较为成熟。其设计尺寸约为２８ｍｍ ×５ｍｍ×２ｍｍ，层数最多可达４４ 层．每层厚度最小可至４０“ｍ．输 出功率、升压比均可大幅提高。生 产工艺的主要技术难点为低温烧 结的高性能压电陶瓷．只有采用 低温烧结的压电变压器陶瓷材料， 才能采用贱金属作为内电极材料． 替代贵金属白金或贵金属含量高 的银一钯内电极浆料．从而大幅 度降低生产制作成本。 像机等的ＡＣ／ＤＣ适配器和ＡＣ— ＤＣ及ＤＣ—ＤＣ开关电源中 有着 广阔的应用前景。 通过对压电变压器的振动模 式和结构的改进 可研制超小型 高频压电陶瓷降压变压器。采用 压电ｄ３ｌ振动模式 制作出尺寸为 ｌ４ｍｍ×ｌ４ｍｍ×６ｒａｍ的多层片 式压电陶瓷降压变压器．工作频 率ｌ４０ＫＨｚ ２０Ｗ输出时的功率转 换效率为９７％．已进入组织生产 的实用化阶段。利用厚度振动模 式，研发出用于ＤＣ—ＤＣ转换器的 多层片式压电陶瓷降压变压器， 工作频率为２ＭＨｚ．２０ｒａｍ×２０ｒａｍ ×２．２ｍｍ的功率转换效率达９８％， 功率密度３５Ｗ／ＣＣ，高于电磁式的 ２０Ｗ／ＣＣ。加速开发厚度振动模式 所需各向异性大的压电陶瓷材料。 Ｉ 器 超大规模集成电路技术的成 熟促进薄膜技术的研发，使得低 温沉积择优取向的压电薄膜成为 可能。有关研究表明，压电薄膜具 有比片状压电材料更高的Ｋ值和 Ｑｍ以及更大的振动面积、更低的 极化损耗、更为灵活的阻抗调节 功能。压电薄膜在压电变压器中 尚有很大的发展空间。近年来的 ｗｗｗ．ＣｈｉｎａＥＭ．ｃｏｍ．ｃｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com … 一 发展趋势就是大量采用集成芯片 的ＦＴ，国内少数外资企业也有此 足对空间有苛刻、很宽的输 工艺，由块状、片状向薄膜化；由 类产品。非常适合在１～６０Ｖ低电 入电压范围、有一个、两个或三个 分立向集成化方向推进，甚至出 压、大电流３０Ａ／磁芯的开关电源 输出的电源设计的要求．市场前 现了将控制电路与驱动电路制作 或逆变电源中使用。 到一块芯片上的报道。预计下一 在ＦＴ中．采用连续的平面铜 步的研发重点会着眼于如何使压 螺旋线方式构成平面绕组，由铜质 电变压器的设计与制作工艺同外 固定引线框与平面绕组以及薄绝缘 围应用电路实现无缝衔接。采用 介质片、上下两个有效截面积大而 半导体工艺制备出高度集成化的 磁路较短的铁氧体ＲＭ型磁芯柱， 薄膜压电变压器，一旦商品化成 构成ＦＴ主体部分，技术上实现重 功，将会比目前的压电变压器获 大突破。表１示出几种电子变压的 得更大的功率、更低的损耗、更加 稳定的输出。高效微型化、低噪 部分的指标，ＦＴ通常有２个或２个 声、高可靠将会成为市场主流。 以上大小相同的柱状磁芯．用铜质 景看好。 电子变压器是各类变压器在 电子设备中的统称．其发展预测 如表２所示，可应用在各种电子线 路中，例如．小功率电源和脉冲以 及电能变换（电压、电流、频率、 相数），改变信号极性．变换信号 波形．或使电路阻抗匹配等等，它 的一系列特征都是线路决定的。 国内电子变压器生产占全球总产 压ｇ２ Ｏ量的２０％以上．长期研发积累了 电 引线框固定磁芯，保持与外部电路 的连接，增加磁芯数量可增大输出 平面变压器ＦＴ（ＦＩａｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ） 具有高功率密度容量、结构紧凑、 低温烧结压电陶瓷变压器材料及 电流。可根据设计要求的输出电压 或输出电流以及输入输出的大小选 用ＦＴ产品。 多层片式压电陶瓷变压器的制备 器 技术．多家科研机构获可喜成就 和多项专利．研制产品的性能指 标达到甚至超过国际水平．为商 虹 压 高转换效率、工作频率高、隔离性 好的特点。ＦＴ系列产品在国际上 ＦＴ便于用自动装配设备标准 业化生产提供了可靠的技术保证。 已市场化．品种已涉及到常规的 化、系列化生产。紧密的磁芯几何 可以预言，在电子信息领域，压电 铁氧体磁芯变压器的各个方面。 形状了热点的产生，允许更 变压器将会逐步代替电磁变压器，国外已生产出５ｍｍ×５ｍｍ Ｘ ５ｍｍ 高的能量密度．电流密度可达 而电磁变压器仍将在功率、电力 的微型变压器和厚薄仅为０．２ｍｍ ４０Ａ／ｍｍ ，每ｌＯＯＷ仅重ｌ８６ｇ，满 领域继续发挥其巨大作用。 ≯≥ 转换效率％ 工作频率Ｋ｝－ｌｚ 基本结构 整体重量 常规变压器 ９２ 一 串１Ｉｌ熏童五褂 ９８—９９ ２０～５００ ２０—２０ｏ０ 绕制线圈 重 多层ＰＣＢ 轻 整体体积 输出功率 大 很大 小 ２００～１０ｏ０Ｗ 蜀内产量及奄 入， Ｉ出由，ｉ潮一 。’ 。 目标 ２００１年产量（亿只） ２０１０年销售额 １５０ ５０ 年增长率％ ２０ 瞰髓窝Ｉ骞＿Ｉ＿ｌ 一卑增长牵％ １７亿美元 ８ １５０亿美元 １８０亿元 ２０ ｗ、ⅣＷ．ＣｈｉｎａＥＭ．ｔｏｍ．Ｃｌ３ 叩１日毒子南１暑・基础电子Ａｐｒｉｌ ２００６ ５７
