降压压电变压器原理分析与设计

论文摘要

压电变压器具有重量轻、体积小、无电磁干扰、效率高等突出优点,在越来越多的领域可以取代传统电磁变压器,具有广阔的应用前景。相对于升压型压电变压器,降压压电变压器研究起步较晚,缺乏对降压原理的认识,通常采用叠层结构达到了理想的降压效果,但叠层压电变压器存在制造技术复杂、批量生产一致性差、成本高等缺点。针对这一问题,本文对降压压电变压器进行原理分析,总结降压设计的一般思路,并提出新型圆盘状单层径向振动降压压电变压器。首先,基于压电变压器集总参数等效电路模型,推导了压电变压器的电气特性表达式,并将目前广泛商用的Rosen型升压压电变压器反接,进行降压特性分析。结合理论推导,总结设计降压压电变压器的一些规律,提出共地型、浮地型单向极化和双向极化压电变压器三种结构,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件分析了提出的三种结构压电变压器位移分布和输入阻抗特性。其次,制作设计的三种结构降压压电变压器,使用Agilent-4294A阻抗分析仪测量共地型单向极化压电变压器等效电路模型参数,利用MATLAB分析了其电压增益、效率、输出功率等电气特性,并结合实验测量结果分析了内径尺寸变化对共地型单向极化压电变压器电气特性的影响。实验还测量了浮地型单向极化和双向极化压电变压器结构压电变压器的电气特性,结果表明:同一尺寸共地型和浮地型压电变压器具有一致的电气特性;三种结构的降压压电变压器都能实现较理想的降压效果,其中单向极化压电变压器电压增益可以达到0.11,效率92%以上。将浮地型压电变压器进行串-并、串-串联接,推导两种联接方式与单片压电变压器电气特性的联系,MATLAB电路仿真结果及实验测量证明:串-并联接、串-串联接均能进一步降低电压。最后,设计了基于内径7mm的浮地型压电变压器的AC-DC转换器,得到3V～10V稳定的直流电压,输出功率3.8W以上,证明了设计的降压压电变压器可以用于小功率供电设备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 降压压电变压器概述
• 1.3 降压压电变压器的研究现状
• 1.3.1 材料研究
• 1.3.2 结构研究
• 1.3.3 驱动电路研究
• 1.4 本文主要工作
• 2 压电变压器理论基础及特性分析
• 2.1 压电方程及波动方程
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电方程和波动方程
• 2.2 等效电路及电气特性
• 2.3 Rosen型压电变压器反接测试
• 2.3.1 Rosen型 PT正接、反接等效电路模型
• 2.3.2 特性仿真
• 2.3.3 实验测量
• 2.3.4 研究结果
• 2.4 本章小结
• 3 降压压电变压器设计及极化后处理
• 3.1 降压压电变压器设计概述
• 3.2 有限元分析
• 3.2.1 COMSOL Multiphysics软件简介
• 3.2.2 分析步骤
• 3.2.3 分析结果
• 3.3 降压压电变压器极化后处理
• 3.4 本章小结
• 4 降压压电变压器特性分析及实验测量
• 4.1 等效电路参数测量及特性分析
• 4.1.1 Y参数等效电路参数测量
• 4.1.2 共地型单向极化降压压电变压器样品特性分析
• 4.2 降压压电变压器样品实验测量
• 4.2.1 测量装置
• 4.2.2 共地型单向极化降压压电变压器测量
• 4.2.3 浮地单向极化降压压电变压器测试
• 4.2.4 双向极化降压压电变压器测试
• 4.2.5 单向极化和双向极化降压压电变压器比较
• 4.3 串-并联和串-串联接方式研究
• 4.3.1 串并联接和串串联接仿真
• 4.3.2 串-并和串-串联接实验
• 4.4 本章小结
• 5 基于压电变压器的AC-DC示例
• 5.1 AC-DC设计分析
• 5.2 AC-DC转换器测试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A MATLAB仿真主要程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢