一种压电变压器驱动电路及其输出电压控制方法技术

本发明专利技术提供了一种压电变压器驱动电路及其输出电压控制方法，该驱动电路的输入端接直流电压，输出端与压电变压器的输入端连接，驱动电路用于将直流电压转换为间歇式半正弦波电压，并输出给所述压电变压器，该输出电压控制方法，通过对驱动电路中的各器件参数调整，使工作频率与电路中的谐振频率满足一定关系，且开关器件的导通时间满足特定条件时，使驱动电路输出间歇式半正弦波电压，且可以达到驱动电路和压电变压器达到全谐振状态。本发明专利技术减少了开关器件的损耗，可以使包括驱动电路及压电变压器的整个电路处于全谐振状态，达到大大减小损耗，提高可靠性的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变压器相关电路领域，具体涉及一种压电变压器驱动 电路及其输出电压控制方法。
技术介绍
压电变压器是一种电子变压器件，它利用压电效应，通过电能一 机械能一电能的二次能量转换形式，达到能量的传递。与传统电磁式 变压器相比，压电变压器具有体积小、重量轻、无短路击穿等优良特性，逐步得到广泛应用，如高压电源、负离子发生器、静电复印机、警用电击器、液晶显示背光电源、小功率激光管电源等中小功率器件。 在不具有对称中心的晶体中，由于内部存在自发极化，正负电荷中心不重合而产生偶极距，这样晶体内部就产生一个电场，为平衡内 部电场，晶体表面就产生空间电荷，使整个晶体对外显示电中性，当 外力变化时，晶体内部的偶极距改变而使得内部电场发生变化，这样 晶体表面的空间电荷也就得以释放，表现出压电性。反之，在一定的 电场作用下，晶体会产生外形尺寸的变化(即逆压电效应)。压电变压器正是利用了这样的原理，如图1所示，在一个压电变 压器(可以釆用压电陶瓷片)上，输入端a、 b施加一个电场(驱动电 压Vin)使陶瓷片产生谐振(逆压电效应)，而在输出端c、 d将高应变 产生的机械振动能量转化成电荷输出(压电效应Vout)，其中电阻RL 为负载，为便于理解，可以将压变电压器看作分为驱动部分101和发 电部分102。由于现有技术中压电变压器的驱动电压Vin为正弦波型电压，所 以大部分压电变压器的驱动电路的结构为半桥电路，如图2所示，该 半桥电路由金属氧化物半导体晶体管MC^和MOS2构成，半桥电路的输入端与图3所示的直流的工作母线电压V,连接，该驱动电路中，常在压电变压器前串联一个电感L,或一个LC串联谐振电路。通过控制 MOS，和的输入端Ai和MOS2管的输入端电压A2的波形电压，驱动电路 将该直流工作母线电压Vi整形为图4所示的正弦电压V2，并加到压电 变压器l的输入端a、 b。如果考虑外界温度、输入电压、负载等的变 化因素，驱动电路可能稍微复杂一些，但也更为实用，如图5所示， 在压电变压器l的输入端a串联电容C,，在压电变压器l的输入两端a、 b并联电感L2。由电感L2和电容d构成的LC滤波电路用于去除杂波 ,及低温低外界输入电压下确保压电变压器仍有足够的输出功率。但是压电变压器的驱动电路无论釆用图(a)的原理性电路，或 釆用图(b)的实用型电路，都有一个共同的缺点，即金属氧化物半 导体晶体管MOS" MOS2不是处于零压零流的工作状态，其连接的工 作母线电压V,始终处于直流高压状态，电感加上串联的压电变压器其 等效的数学模型通常为感性负载，使电流又和电压有相位差，因此金 属氧化物半导体晶体管MOSp MOS2的开关损耗很大。上述压电变压 器的驱动电路只是套用了通常开关电路的概念，实用型电路只是加上 LC滤波，因而开关电路的缺点在这里并未消除，电路缺乏针对性。现有技术中压电变压器已经发展到其本身等效于纯阻状态，该压 电变压器在某一工作频率下呈现输入电压与输入电流同相位(或相差 为;r )。由于上述驱动电路加上已经具有等效纯阻状态的压电变压器 后，已无法构成全谐振电路的概念。因此必须寻求一种新的能适应上 述压电变压器特性要求的驱动电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电变压器驱动电路及其输出电压控 制方法，该驱动电路的输出为间歇式半正弦波电压，减少了开关器件 的损耗，可以使包括驱动电路及压电变压器的整个电路处于全谐振状 态，达到大大减小损耗，提高可靠性的目的。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种压电变压器驱动电路，所述驱动电路包括LC串联谐振回 路，输入端与所述直流电压连接，输出端与压电变压器连接；开关，并联连接在所述LC串联谐振回路中电容的两端；开关控制器件，与 所述开关连接，用于控制所述开关的开关动作，使所述LC串联谐振 回路的输出端输出间歇式半正弦波形电压。其中，所述开关为金属氧化物半导体晶体管，所述金属氧化物半 导体晶体管的栅极与所述开关控制器件连接，源极与所述电容接地一 端连接，漏极与电容的另一端连接，所述开关控制器件通过波形电压 控制所述金属氧化物半导体晶体管的导通和截止。其中，所述LC串联谐振回路中电感和电容确定的谐振频率，大 于由金属氧化物半导体晶体管的导通和截止确定的工作频率，所述金 属氧化物半导体晶体管的导通时间，小于由所述工作频率确定的工作 周期的一半。其中，所述谐振频率为所述工作频率的1.4 1.6倍，所述导通时 间为所述工作周期的0.25-0.4倍。其中，所述谐振频率为所述工作频率的1.5倍，所述导通时间为 所述工作周期的0.4倍。其中，所述LC串联谐振回路中电容的电容值为32nf,电感的电感 值为84pH，金属氧化物半导体晶体管的导通时间为6ps,所述工作 周期为15ns。本专利技术还提供了一种使用上述压电变压器驱动电路的输出电压 控制方法，该方法包括调整所述LC串联谐振回路中电感和电容参 数值，使所述LC串联谐振回路的谐振频率，大于由开关的开关动作 确定的工作频率，所述开关的关闭的时间，小于由所述工作频率确定 的工作周期的 一半，以使所述LC串联谐振回路的输出端为半正弦波 电压。其中，所述谐振频率与所述工作频率的关系为所述谐振频率为 所述工作频率的1.4 1.6倍，所述导通时间为所述工作周期的0.25 0.4倍。其中，该方法还包括步骤获取压电变压器处于谐振状态所需的 工作频率；由所述谐振频率与所述工作频率的关系，确定达到全谐振 状态时所述LC串联谐振回路应达到的谐振频率；调整所述LC串联谐 振回路中电感和电容参数值，将LC串联谐振回路的谐振频率调整所 述应达到的谐振频率；根据驱动电路的等效负载情况，调整并联在电 容两端的开关的导通时间，使输出间歇式半正弦波形且达到压电变压 器处于谐振状态所需的工作频率。使用本专利技术提供的压电变压器驱动电路及输出电压控制方法，具 有以下有益效果(1) 当金属氧化物半导体晶体管MOS管导通或断开时，与MOS 管相连的电压为零，故可以大大降低MOS管的开关损耗；(2) 在压电变压器输入电压Ue不为零的前半个周期，其波形为半个正弦波，适用于压电变压器对正弦驱动电压的需求；(3) 在压电变压器输入电压uc为零的后半个周期，由于压电变 压器是个弹性体，可依靠贮存的弹性能，自动完成后半个周期的正弦 态振动，因此压电变压器的输出仍是一个完整的正弦波型；(4) 当压电变压器自身具有等效纯阻特性，即在某一个工作频 率下，其输入电压与输入电流同相位(或相位差为兀)时，驱动电路 工作母线电压本身以半正弦方式变动，这样调整其工作频率，就可以 实现包含驱动电路以及压电变压器在内的整个电路的全谐振特性，从 而大大提高了整个电路的效率。附图说明图l为压电变压器的原理示意图；图2为现有传统压电变压器驱动电路结构及与压电变压器连接图；图3为压电变压器驱动电路的输入电压示意图； 图4为压电变压器驱动电路的输出电压示意图； 图5为现有技术中实用型压电变压器驱动电路结构及与压电变压器连接图；；图6为本专利技术实施例压电变压器驱动电路结构及与压电变压器连接图；图7为本专利技术实施例优选的压电变压器驱动电路结构及与压电变压器连接图；图8为当LC串联谐振频率与工作频率相近或一致时，且压电变压 器无负载时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电变压器驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：　ＬＣ串联谐振回路，输入端与所述直流电压连接，输出端与压电变压器连接；　开关，并联连接在所述ＬＣ串联谐振回路中电容的两端；　开关控制器件，与所述开关连接，用于控制所述开关的开关动作，使所述ＬＣ串联谐振回路的输出端输出间歇式半正弦波形电压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏定豪，陈维忠，
申请(专利权)人：夏定豪，陈维忠，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]