具有高的有效機(jī)電耦合系數(shù)的壓電變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及壓電變壓器（100），包括適于以基礎(chǔ)厚度模式運(yùn)行的細(xì)長壓電陶瓷體（102）。該細(xì)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(cè)機(jī)電耦合系數(shù)keff_S的初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff_P，實(shí)現(xiàn)了高功率轉(zhuǎn)換效率和零電壓開關(guān)能力。
【專利說明】具有高的有效機(jī)電耦合系數(shù)的壓電變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電變壓器，其包括適于以基礎(chǔ)厚度模式運(yùn)行的細(xì)長壓電陶瓷體。細(xì)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(shè)置初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff P大于次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)krff s，實(shí)現(xiàn)了高功率轉(zhuǎn)換效率和零電壓開關(guān)能力。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電變壓器被稱為諸如AC-AC升壓或降壓轉(zhuǎn)換器、DC-DC升壓或降壓轉(zhuǎn)換器、或AC-DC升壓或降壓轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換器中的電磁元件的替代品。因?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換是基于壓電效應(yīng)的，所以相比于其磁性對口，壓電變壓器具有諸如傳導(dǎo)和輻射EMI的低水平等若干優(yōu)點(diǎn)。就像基于磁性的功率轉(zhuǎn)換器的情況一樣，在許多應(yīng)用中壓電變壓器的尺寸和電轉(zhuǎn)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(chǔ)諧振頻率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可聽頻帶。壓電陶瓷材料成形為壓電體，其可以表現(xiàn)出動能的高密度存儲。壓電變壓器本質(zhì)上有電容性，這意味著到輸入驅(qū)動器的切換模式運(yùn)行功率晶體管的電接口可以有利地用一定的預(yù)防措施，以獲得所謂的零電壓開關(guān)。
[0003]本發(fā)明基于關(guān)于壓電變壓器的零電壓開關(guān)系數(shù)(表示為“ZVS系數(shù)”)的物理性的新見解。本發(fā)明人已經(jīng)證實(shí)，通過配置或設(shè)計(jì)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(yù)訂頻帶或頻率范圍表現(xiàn)出電感輸入阻抗。換句話說，可以強(qiáng)制壓電變壓器顯示偽電感行為。在數(shù)學(xué)術(shù)語中，該約束可以通過有效和直觀的數(shù)學(xué)表達(dá)式來進(jìn)行表示，上述數(shù)學(xué)表達(dá)式將所需的電感行為與壓電變壓器的初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)krff P和次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)krff s之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)。此外，壓電變壓器的初級和次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)可以涉及其ZVS系數(shù)，ZVS系數(shù)指示壓電變壓器的電感。ZVS系數(shù)指示給定的壓電變壓器設(shè)計(jì)如何有效的使能電耦合至壓電變壓器的輸入部的輸入驅(qū)動器(諸如基于MOS或IGBT晶體管的驅(qū)動器)的零電壓開關(guān)或軟開關(guān)。驅(qū)動器中的這種零電壓開關(guān)的實(shí)現(xiàn)是非常有利的，這是因?yàn)?，其有助于基于壓電變壓器及其相關(guān)驅(qū)動器的完整功率轉(zhuǎn)換器的高功率轉(zhuǎn)換效率。發(fā)明人的見解已經(jīng)使能了具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的細(xì)長深度模式壓電變壓器的新一類設(shè)計(jì)，同時(shí)如下面進(jìn)一步詳細(xì)說明的，呈現(xiàn)出高ZVS系數(shù)和高功率轉(zhuǎn)換效率。從本質(zhì)上說，該屬性確保了與輸入驅(qū)動器相關(guān)的電切換損耗和壓電變壓器的轉(zhuǎn)換損耗的組合優(yōu)化。
[0004]這一類細(xì)長壓電變壓器的內(nèi)在偽電感或電感的行為允許基于其的功率轉(zhuǎn)換器在沒有普通的外部串聯(lián)電感器的情況下運(yùn)行，同時(shí)保持功率轉(zhuǎn)換器的輸入驅(qū)動器/半橋部分中的零電壓開關(guān)操作。功率轉(zhuǎn)換器在沒有普通的外部串聯(lián)電感器的情況下以良好的功率轉(zhuǎn)換效率運(yùn)行的能力，意味著幾個(gè)顯著優(yōu)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?yàn)橄斯β兽D(zhuǎn)換器中的外部磁性部件，因此沒有了普通的外部串聯(lián)或并聯(lián)電感器，會導(dǎo)致較低水平的傳導(dǎo)和輻射EMI。
[0005]W02010/097407描述了一種用于基于半導(dǎo)體的光源的壓電變壓器。所采用的壓電變壓器基于ZVS系數(shù)為100%和120%的環(huán)形壓電體。
[0006]US2010/0328969描述了一種電功率轉(zhuǎn)換器，其包括由具有突發(fā)頻率和基本恒定的激勵(lì)頻率的輸入電壓信號驅(qū)動的壓電變壓器。公開了 ZVS系數(shù)為大約100%或120%的環(huán)形厚度模式壓電變壓器。
[0007]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(yùn)行的環(huán)形PT的設(shè)計(jì)。
[0008]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(zhì)量，以增大壓電變壓器的厚度并且減小其共振頻率。
[0009]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(qū)動部之間。驅(qū)動部具有多層電極結(jié)構(gòu)并且以平面模式運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的第一方面涉及壓電變壓器，包括:
[0011]適于以基礎(chǔ)厚度模式運(yùn)行的細(xì)長壓電陶瓷體。該細(xì)長壓電陶瓷體包括:中央輸入部，在大致平行于細(xì)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(jìn)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(jìn)一步包括第二輸出電極。另外，初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff P大于次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff—s，其中
【權(quán)利要求】
1.一種壓電變壓器，包括: 細(xì)長壓電陶瓷體，適于以基礎(chǔ)厚度模式運(yùn)行，包括: 中央輸入部，在大致平行于所述細(xì)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(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff P大于次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff s，其中
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，所述初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keffP大于0.3或30%，或者大于0.35或35%，優(yōu)選地大于0.4或40%，更優(yōu)選地大于0.5或50%或者0.6 或 60%ο
3.根據(jù)權(quán)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(xiàn)出大于0.60的k33機(jī)電耦合系數(shù)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(jù)權(quán)利要求2或3所述的壓電變壓器，其中，所述初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)krffP比所述次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)krff s大至少10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電變壓器，其中，所述初級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keffP比所述次級側(cè)有效機(jī)電耦合系數(shù)keff s大12%至80%。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述細(xì)長壓電陶瓷體被成形和尺寸化為提供大于100%、優(yōu)選地大于120%、諸如大于150%或200%的零電壓開關(guān)系數(shù)(ZVS系數(shù))； 其中，所述ZVS系數(shù)在匹配的負(fù)載條件下確定為:

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電變壓器，具有大于125%的ZVS系數(shù)； 其中，所述中央輸入部的容積占據(jù)小于50%的所述細(xì)長壓電陶瓷體的容積。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述細(xì)長壓電陶瓷體的長度大于所述細(xì)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(jù)權(quán)利要求8所述的壓電變壓器，其中，所述細(xì)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(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述細(xì)長壓電陶瓷體形成為各向異性壓電化合物的單個(gè)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(diǎn)或接頭。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述細(xì)長壓電陶瓷體由在一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)邊緣表面彼此粘接的2至5個(gè)單獨(dú)的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)形成。
12.根據(jù)權(quán)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疊或添加多個(gè)陶瓷層制造的真正的333厚度結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述輸入部包括第一垂直延伸輸入電極和第二垂直延伸輸入電極； 所述第一垂直延伸輸入 電極和所述第二垂直延伸輸入電極在所述縱向主體軸方向上被壓電材料的中間部隔開。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓電變壓器，其中: 所述第一垂直延伸輸入電極包括沿所述縱向主體軸分布并由壓電材料的中間部隔開的多個(gè)第一電極部件；以及 所述第二垂直延伸輸入電極包括沿所述縱向主體軸分布并由壓電材料的中間部隔開的多個(gè)第二電極部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的壓電變壓器，其中， 所述第一垂直延伸輸入電極或者所述第一電極部件中的每個(gè)都包括在彼此上方垂直對準(zhǔn)并且由所述壓電材料的居間層隔開的導(dǎo)電橫指的相應(yīng)集合；以及 所述第二垂直延伸輸入電極或者所述第二電極部件中的每個(gè)都包括在彼此上方垂直對準(zhǔn)并且由所述壓電材料的居間層隔開的導(dǎo)電橫指的相應(yīng)集合。
16.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的壓電變壓器，其中， 所述第一垂直延伸輸入電極或者所述第一電極部件中的每個(gè)都電連接至布置在所述細(xì)長壓電陶瓷體的第一外表面的第一導(dǎo)電層；以及 所述第二垂直延伸輸入電極或者所述第二電極部件中的每個(gè)都電連接至布置在所述細(xì)長壓電陶瓷體的第二外表面的第二導(dǎo)電層。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中， 所述第一電極部件的單個(gè)電極部件之間的沿所述縱向主體軸的距離在200μπι和2mm之間，更優(yōu)選地，在400 μ m和Imm之間；以及 所述第二電極部件的單個(gè)電極部件之間的沿所述縱向主體軸的距離在200 μ m和2mm之間，更優(yōu)選地，在400 μ m和Imm之間。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電極布置(印刷或沉積金屬層)在所述第一輸出部的端面上，并且所述第二輸出電極布置在所述第二輸出部的端面上； 其中， 所述第一輸出電極和所述第二輸出電極中的每個(gè)的長度都小于1_，優(yōu)選地，小于100 μ m,更優(yōu)選地，小于20 μ m。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電極布置在所述第一輸出部的端面上，并且所述第二輸出電極布置在所述第二輸出部的端面上； 其中，所述第一輸出電極和所述第二輸出電極中的每個(gè)的長度都顯著小于所述第一輸出部和所述第二輸出部的長度，諸如小于該長度的50%，或者優(yōu)選地小于10%，更優(yōu)選地小于1%。
20.一種包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電變壓器的諧振壓電功率轉(zhuǎn)換器，包括: 晶體管驅(qū)動器，具有電耦合至所述輸入部的至少兩個(gè)輸入電極的輸出，并且適于向所述至少兩個(gè)輸入電極提供預(yù)定幅度和頻率特性的輸入AC電壓； 負(fù)載阻抗，電耦合至所述壓電變壓器的所述第一輸出部和所述第二輸出部，用于接收轉(zhuǎn)換的AC電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的諧振壓電功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述輸入AC電壓的激發(fā)頻率介于所述細(xì)長壓電陶瓷體的基礎(chǔ)諧振頻率以上5%至10%之間。
【文檔編號】H01L41/107GK103918097SQ201280038903
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月9日
【發(fā)明者】卡斯佩爾·辛丁·邁爾 申請人:諾力克有限公司