專利名稱：具有初級調(diào)節(jié)裝置的壓電轉(zhuǎn)換器及對應(yīng)的壓電變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有由壓電陶瓷組成的多層結(jié)構(gòu)的電壓換能器、即所謂的 壓電變壓器。此外本發(fā)明還涉及一種開關(guān)電源，其包含作為壓電轉(zhuǎn)換器的一部 分的這樣的壓電變壓器。
背景技術(shù)：
基于巻繞線圈的電磁變壓器在過去通常用于產(chǎn)生高壓、也用于產(chǎn)生低壓。 這樣的電磁變壓器具有纏繞在鐵磁材料構(gòu)成的鐵芯上的電導(dǎo)體。因為對于大的 電壓傳輸比來說需要大的匝數(shù)，所以具有足夠效率的電磁變壓器通常很難以小 的形式制造。此外電磁變壓器在高頻應(yīng)用中特別是由于磁性材料具有許多缺陷， 例如磁滯損耗的增加、渦流損耗或者導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)損耗。這些損耗將磁變
壓器實際上可實現(xiàn)的頻率范圍限制在大約500kHz。
為了克服電磁變壓器的該問題和其它問題，開發(fā)了使用壓電效應(yīng)的壓電陶 瓷變壓器，通常稱為PT。與電磁變壓器不同，壓電變壓器具有輸出電壓與輸入 電壓比的精確限制的頻率特性，其中最大值位于諧振頻率中。該諧振頻率取決 于材料常數(shù)和材料厚度以及取決于整個變壓器和壓電材料以及采用的電極。
與公知的電磁變壓器相比，壓電變壓器具有許多優(yōu)點。特別是在相似的變 壓比的情況下可以將壓電變壓器構(gòu)造得遠遠小于電磁變壓器。此外可以將壓電 變壓器構(gòu)造成不可燃的并且不會產(chǎn)生電磁感應(yīng)的噪聲。
用于壓電變壓器的陶覺體可以不同的形式和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，例如作為環(huán)形、 平板等。例如在專利文獻US 6362559、 US 6346764或者US 6326718中描述了 壓電變壓器的不同結(jié)構(gòu)形式。 一種公知的壓電變壓器結(jié)構(gòu)包括具有圓形結(jié)構(gòu)的 壓電陶瓷片，其中在陶瓷片的一個或兩個面上設(shè)置分段的電極。
從US 2830274公知一種以不同的實施方式存在的所謂的"羅森(Rosen) 型"的壓電變壓器。典型的羅森型-PT包括平的陶瓷板，其長度遠大于寬度并 且寬度遠大于厚度。在此壓電變壓器相對磁變壓器的優(yōu)點特別明顯。如已經(jīng)提到的，壓電變壓器的結(jié)構(gòu)比磁變壓器更緊湊并且作為其它優(yōu)點具有更簡單的可 擴展性和更小的功率。
極設(shè)置，如在圖1中示意性示出的。
特別是結(jié)合開關(guān)電源，這樣的壓電變壓器提供用于最小化這樣的開關(guān)電源 的尺寸的吸引人的潛力，這一點特別對便攜式設(shè)備是特別有意義的。
對于小功率范圍、即低于100瓦，特別是低于10瓦功率范圍中的電流供 應(yīng)，目前主要采用開關(guān)電源代替舊的50Hz線性供電設(shè)備。在此開關(guān)電源技術(shù) 的優(yōu)點首先在于，與線性設(shè)備相比減小的結(jié)構(gòu)尺寸和減小的設(shè)備重量。
在壓電變壓器中借助機械振動將能量從初級側(cè)傳輸?shù)酱渭墏?cè)。壓電變壓器 由合適的陶乾制造并且具有初級側(cè)和次級側(cè)的電才及區(qū)域，如在圖1中示意性示 出的。
對開關(guān)電源的輸出電壓和輸出電流通常獨立于變壓器的類型來調(diào)節(jié)，即輸 出電壓不取決于待供電的負載并且直到最大電流都是恒定的。在超過最大負載
時或者在短路的情況下，電流保持恒定并且由此被限制。通常在小功率范圍內(nèi) 源的初級側(cè)。
在專利文獻DE 10259088中描述了這樣的具有壓電變壓器的開關(guān)電源。在 此，在變化的負載上的輸出電壓通過改變工作頻率和接通-斷開持續(xù)時間比而保 持恒定。為此將關(guān)于輸出電流的信息從次級側(cè)傳輸?shù)匠跫墏?cè)。為了遵守相關(guān)的 標(biāo)準(zhǔn)，該傳輸必須電分離地進行，并且通常使用具有相應(yīng)外圍電路的光耦合器。
在專利EP 1146630和EP 1211794中描述了具有磁換能器的初級側(cè)調(diào)節(jié)的 開關(guān)電源，其中輸出電壓借助脈寬調(diào)制保持恒定。借助在換能器變壓器上的附 加的繞組裝置獲得關(guān)于輸出電壓高度的信息。在該公知的調(diào)節(jié)電路中在輔助繞 組上可以量取與輸出電壓成比例的輔助電壓。輔助繞組與開關(guān)電源的初級側(cè)對 應(yīng)，由此不需要借助光耦合器的附加的電分離的傳輸或者從次級側(cè)的信號傳輸。 這減小了組件的數(shù)量并且導(dǎo)致極大的成本節(jié)省。然而，這些公知的初級側(cè)控制 的開關(guān)電源總是包含具有上面提到的所有缺陷的電磁換能器。

發(fā)明內(nèi)容
由此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提出一種壓電變壓器，其可以用于具有專利文獻EP 1146630和EP 1211794的工作原理的初級側(cè)控制的開關(guān)電源中。 此外本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于這樣的開關(guān)電源的對應(yīng)的控制電路。
本發(fā)明通過獨立權(quán)利要求的主題解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明的優(yōu)選擴展是 從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
在此，本發(fā)明基于如下思想與利用輔助繞組的電磁傳輸相比所提高的電 路開銷可以通過如下來避免通過壓電變壓器本身來傳輸關(guān)于輸出參數(shù)、即關(guān) 于輸出電壓的信息。
在具有壓電換能器的開關(guān)電源中可以通過改變工作頻率來進行輸出電壓 的調(diào)節(jié)。如果遠離壓電變壓器的諧振頻率，則減小了傳輸?shù)酱渭墏?cè)的能量。為 了閉合調(diào)節(jié)電路，必須將調(diào)節(jié)參數(shù)、在這種情況下例如是開關(guān)電源的輸出電壓， 電分離地傳輸?shù)介_關(guān)電源的初級側(cè)的調(diào)節(jié)裝置。按照本發(fā)明，這通過如下來實 現(xiàn)將另一個電極裝置、即所謂的輔助電極裝置，附加于初級和次級電極裝置 集成在壓電變壓器中。按照本發(fā)明的優(yōu)選擴展，輔助電極裝置位于壓電變壓器 的初級側(cè)。由此可以將量取的電壓直接而不需電分離地傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)器。
在附加插入的電極對上，量取與輸出電壓成比例的信號，該信號可以被用 作對于設(shè)置在初級側(cè)的調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)參數(shù)。
按照本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式，將在輔助電極裝置上量取的電壓傳輸 到濾波器、特別是實施為低通濾波器的濾波器，使得只有壓電變壓器的基波可 以通過。以這種方式可以過濾出可能被激勵的諧波，從而改善輸出電壓和在輔 助電極裝置上量取的調(diào)節(jié)電壓之間的比例。
在附加的輔助電極裝置上量取的電壓獨立于這些電極的間隔并且此外與 壓電變壓器內(nèi)的機械壓力成比例。機械壓力在壓電變壓器的整個幾何長度上不 是恒定的，而是通過正弦函數(shù)描述。由此，用來激勵壓電變壓器的頻率的變化 也會導(dǎo)致機械壓力在壓電變壓器長度上的分布的變化。由此具有優(yōu)勢的是，將 輔助電極置于如下位置上在該位置上機械壓力僅以小的值波動，即例如在末 端的邊界范圍中波動。
按照本發(fā)明的優(yōu)選擴展，在附加的輔助電極裝置上量取的電壓可以被用于 在初級側(cè)設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置的能量供應(yīng)。在此將電極的面積和由此該附加的電極 裝置的電容與調(diào)節(jié)裝置的能量消耗相應(yīng)地匹配。


為了更好地理解本發(fā)明，借助在以下的附圖中示出的實施例詳細解釋本發(fā) 明。在此相同的組件具有相同的附圖標(biāo)記和相同的組件稱號。此外還可以示出 對于獨立的、發(fā)明的或者按照本發(fā)明的解決方案示出的和描述的不同實施方式 的若干特征或特征組合。其中
圖1示出了具有初級側(cè)和次級側(cè)的電極區(qū)域的壓電變壓器的示意圖； 圖2示出了具有在初級側(cè)上的附加電極裝置的壓電變壓器； 圖3示出了具有按照本發(fā)明的壓電變壓器的開關(guān)電源的控制電路以及調(diào)節(jié) 電路的框圖4示出了具有按照本發(fā)明的壓電變壓器的開關(guān)電源的控制電路的另 一個 實施方式。
具體實施例方式
以下參考圖2詳細解釋按照本發(fā)明的壓電變壓器100。如已知的，該壓電 變壓器100包括由壓電材料組成的基體108。初級側(cè)電極102將初級側(cè)電壓或 者輸入電壓(參見圖3和4)經(jīng)過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機械振動。
由于在次級側(cè)電極104上的機械振動，在次級側(cè)上形成轉(zhuǎn)換的輸出電壓， 在此輸出電壓可以是比輸入電壓高或低的電壓。這就是說，壓電變壓器100的 工作方式可以作為雙重的換能過程來理解，在該換能過程中，第一壓電換能將 電能轉(zhuǎn)換為機械能并且反向換能將機械能轉(zhuǎn)換為電能。如在US 2830274中提到 的，在此，機械能從壓電體108的與輸入電極共同作用的第一區(qū)域被轉(zhuǎn)換到壓 電體的與輸出電極共同作用的第二區(qū)域。
按照本發(fā)明，在圖2中示出的壓電變壓器具有附加的電極裝置106,其利 用如下事實提到的電磁換能過程也在相反方向上進行。這就是說，在附加插 入的電極對106上量取與輸出電壓成比例的信號，該信號在開關(guān)電源的應(yīng)用中 可以被用作對于在初級側(cè)設(shè)置的調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)參數(shù)。
在圖3中示出了用于按照本發(fā)明的壓電變壓器IOO的控制電路以及對應(yīng)的 調(diào)節(jié)電路的框圖。在此輸入電壓施加在輸入接線柱110上。此外'輸入電壓還 與初級側(cè)的電極102相連。開關(guān)112，例如晶體管，由調(diào)節(jié)器114控制。按照 本發(fā)明，在附加的電極裝置106上量取的輔助電壓作為調(diào)節(jié)參數(shù)被傳輸?shù)秸{(diào)節(jié) 器114。調(diào)節(jié)器114分析該信號并且相應(yīng)地控制開關(guān)112。在次級側(cè)的電極104上可以量取轉(zhuǎn)換的輸出電壓，將其在整流器116中整流并且輸出到負載118。
在此處示出的特定實施方式中，附加的電極裝置106位于壓電變壓器100 的初級側(cè)。由此量取的電壓可以直接而不需電分離地傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)器。在具有壓 電轉(zhuǎn)換器100的這樣的開關(guān)電源中，對輸出電壓的調(diào)節(jié)通過改變工作頻率來進 行。也就是，如果遠離壓電變壓器100的諧振頻率，則減小了傳輸?shù)酱渭墏?cè)的 能量。
在圖4中示出了按照本發(fā)明解決方案的另一個實施方式。在此，在附加的 電極裝置106上量取的電壓和調(diào)節(jié)器114之間還連接一個濾波器。該濾波器120 實施為低通濾波器，從而只有壓電變壓器100的基波可以通過濾波器120。被 激勵的諧波被過濾出，由此在輸出電壓和在附加的電極裝置106量取的輔助電 壓之間的比例關(guān)系得到改善。
在附加的電極裝置106上量取的輔助電壓取決于這兩個電極互相之間的距 離。此外該輔助電壓還與壓電變壓器100內(nèi)的機械壓力成比例。在壓電變壓器 100的整個幾何長度上，該機械壓力不是恒定的，而是通過正弦函數(shù)來描述。 由此，用以激勵壓電變壓器100的頻率變化，導(dǎo)致機械壓力在壓電變壓器100 的整個長度上的分布發(fā)生改變。由此具有優(yōu)勢的是，將輔助電極106置于如下 位置上在該位置上機械壓力僅以小的值波動。這例如可以在壓電變壓器的末 端區(qū)域中。
按照另一個優(yōu)選實施方式，在附加的輔助電極裝置上量取的電壓此外還用 于設(shè)置在初級側(cè)的調(diào)節(jié)裝置114的能量供應(yīng)。為此，電極106的面積和由此該 附加的電極裝置的電容與調(diào)節(jié)裝置114的能量消耗相應(yīng)地匹配。
高度的信息從次級側(cè)到初級側(cè)的簡單傳輸是可能的。通過經(jīng)過壓電變壓器來傳 輸關(guān)于輸出電壓的信息，可以棄用包括開銷大的外圍電路的光耦合器。由此可 以在小空間并且以最少的組件實現(xiàn)具有包括初級調(diào)節(jié)裝置的壓電變壓器的開關(guān)電源。
權(quán)利要求
1.一種用于將初級側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為次級側(cè)電壓的壓電變壓器(100)，包括初級側(cè)電極裝置(102)，其與初級側(cè)電壓相連；次級側(cè)電極裝置(104)，在該電極裝置上可以量取次級側(cè)電壓；輔助電極裝置(106)，用于產(chǎn)生與次級側(cè)電壓成比例的輔助電極電壓，其中，該輔助電極裝置(106)通過至少兩個彼此相對設(shè)置的平面電極形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，所述輔助電極裝置(106) 的至少兩個平面電極垂直于該變壓器(100)的極化方向設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電變壓器，其中，所述輔助電極裝置(106) 的至少兩個平面電極設(shè)置在該變壓器(100)的末端區(qū)域中。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的壓電變壓器，其中，所述輔助電極裝 置(106)設(shè)置在該變壓器的初級側(cè)。
5. —種用于開關(guān)電源的電路裝置，該開關(guān)電源具有至少一個根據(jù)上述權(quán)利 要求中任一項所述的壓電變壓器(100),其中，該電路裝置包括調(diào)節(jié)電路(114),該調(diào)節(jié)電路(114)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路裝置，其中，所述輔助電極裝置(106)與 整流器相連，以對在該附加電極裝置(106)上量if又的輔助電極電壓進行整流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的電路裝置，其中，在所述輔助電極裝置(106 ) 和所述調(diào)節(jié)電路(114)之間設(shè)置濾波電路(120)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路裝置，其中，所述濾波電路(120)是低通 濾波器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項所述的電路裝置，其中，所述輔助電極電 壓形成初級電流電路的供電電壓。
10. —種初級側(cè)受控的開關(guān)電源，包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述 的壓電變壓器(100)和根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項所述的電路裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有由壓電陶瓷組成的多層結(jié)構(gòu)的電壓換能器，即所謂的壓電變壓器。本發(fā)明還涉及一種開關(guān)電源，其包含這樣的壓電變壓器作為壓電轉(zhuǎn)換器的一部分。按照本發(fā)明的壓電變壓器包括初級側(cè)的電極裝置(102)，其與初級側(cè)的電壓相連；次級側(cè)的電極裝置(104)，在其上可以量取次級側(cè)的電壓；輔助電極裝置(106)，用于產(chǎn)生與次級側(cè)電壓成比例的輔助電極電壓，其中，該輔助電極裝置(106)通過至少兩個彼此相對設(shè)置的平面電極形成。具有至少一個這樣的壓電變壓器(100)的、用于開關(guān)電源的電路裝置包括調(diào)節(jié)電路(114)，其中，所述輔助電極電壓作為用于調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)參數(shù)被傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)電路(114)。
文檔編號H01L41/04GK101681992SQ200880019518
公開日2010年3月24日 申請日期2008年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者斯蒂芬·莫比, 邁克爾·博思 申請人:能源系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司