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基于压电陶瓷的谐振式高压模组设计
摘要：随着便携式电子设备、航空航天以及军事领域对小型化、高效率高压电源的需求日益迫切，传统基于磁性元件的开关电源技术在高频化、小型化和抗电磁干扰方面面临瓶颈。压电变压器，特别是利用压电陶瓷谐振特性进行电能变换的技术，为实现高频、高功率密度的高压生成提供了新途径。本文提出一种谐振式高压模组的设计方案。该模组以径向振动模式的环形压电陶瓷变压器为核心，工作于其机械谐振状态，通过逆压电效应与正压电效应的耦合实现电压升压。论文详细阐述了压电变压器的选型与工作原理、匹配电路的设计、基于直接数字频率合成技术与锁相环技术的高频驱动控制策略以及整体结构的热管理与封装设计。通过理论计算与仿真分析，验证了所设计模组在输入直流低压24V、谐振频率约98kHz条件下，可实现超过3kV的直流高压输出，预计转换效率高于85%。本研究为紧凑型高压电源的工程设计提供了有价值的参考。
关键词：压电变压器；谐振变换；高压模组；锁相环；压电陶瓷；功率转换
一、 引言
高压电源模组是现代电子系统中不可或缺的关键部件，广泛应用于静电除尘、离子发生器、X光机、脉冲功率系统以及各类分析仪器中。传统的高压生成技术主要依赖于工频变压器升压或高频开关电源技术。前者体积重量庞大，效率低下；后者虽然显著减小了体积，但其核心磁性元件（高频变压器）在兆赫兹频率范围下面临着磁芯损耗急剧增加、绕组高频效应（趋肤效应和邻近效应）显著、电磁干扰严重以及绝缘设计复杂等挑战。这些因素制约了高压电源进一步向高频化、小型化和高可靠性方向发展。
压电变压器作为一种基于机械能进行能量传递和电压变换的无磁性元件，自上世纪50年代被提出以来，因其独特的优势而受到广泛关注。与电磁变压器相比，压电变压器具有以下显著特点：（1）无磁芯、无绕组，从根本上避免了磁饱和与磁芯损耗问题，易于实现高频化（数百kHz至MHz）；（2）高功率密度，结构紧凑，体积小，重量轻；（3）
本质安全，短路时由于机械振动受阻，输出能量自动受限，不易产生危险的电弧；（4）电磁干扰低，主要能量以机械波形式传递，辐射小；（5）绝缘强度高，陶瓷介质本身具有良好的绝缘性能，易于实现高压隔离。
基于上述优势，利用压电陶瓷的谐振特性构建高压模组，成为解决特定应用场景下高压电源小型化、高效化需求的有效技术路径。本文旨在系统论述一种谐振式高压模组的设计方案，重点解决压电变压器的选型与驱动、高效率谐振控制以及高压整流滤波等关键技术问题，以期实现一个性能稳定、结构紧凑的高压输出模组。
二、 压电变压器的工作原理与选型
工作原理
压电变压器的工作原理建立在压电陶瓷的逆压电效应与正压电效应的串联耦合之上。其基本结构通常包含驱动部分（输入区）和发电部分（输出区）。当在驱动部分施加一个交变电场时，由于逆压电效应，压电陶瓷会产生机械振动（应变）。当该交变电场的频率与压电陶瓷振子的某一特定机械谐振频率一致时，振子将发生强烈的谐振，在发电部分产生最大的机械应变。此应变通过正压电效应，又在发电部分诱导出电荷，从而在输出端产生一个高电压。电压升压比由输入区和输出区的等效阻抗比、机械品质因数Q_m以及机电耦合系数共同决定。
压电变压器选型
压电变压器的振动模式决定了其性能特性。常见的模式有 Rosen 型（纵向振动）、径向振动型、厚度振动型等。对于高压输出应用，需要变压器具备高的升压比和足够的输出功率。本文选择径向振动模式的环形压电变压器作为核心元件，其结构如图1所示。
（图1：环形压电变压器结构示意图。外环均匀分割为若干区域作为驱动区，极化方向沿厚度方向，电极在内表面和外表面；内环整体作为发电区，极化方向沿径向，电极在内圈和外圈表面。）
该设计具有以下优势：
* 高升压比：发电区的径向振动模式可以有效积累应变能，实现较高的电压增益。
*
功率容量适中：环形结构对称，振动稳定，适合中等功率水平（10W至50W）的应用。
* 易于固定：可通过节点支撑方式固定，减小机械损耗。
* 散热良好：环形结构表面积相对较大，利于热管理。
选定型号的关键参数包括：谐振频率f_r ≈ 98kHz，机械品质因数Q_m > 1000，机电耦合系数k_eff > ，静态电容C_d1 ≈ （驱动端），C_d2 ≈ 450pF（发电端），理论空载升压比超过100。
三、 谐振式高压模组的系统设计
整个高压模组的系统架构如图2所示，主要包括直流输入、高频逆变电路、匹配网络、压电变压器、高压整流滤波电路以及基于锁相环的频率跟踪控制单元。
（图2：高压模组系统框图。框图顺序为：DC Input -> Half-Bridge Inverter -> Matching Network -> Piezoelectric Transformer -> Voltage Multiplier -> High Voltage DC Output。反馈回路：Output Voltage Sampling -> PLL Controller -> Driver Circuit。）
功率电路设计
高频逆变电路：为了将直流输入电压（如24V DC）转换为高频交流方波以驱动压电变压器，采用半桥式逆变拓扑。该结构简单可靠，只需两个功率开关管（MOSFET）和一个分压电容。选用耐压高、开关速度快的功率MOSFET（如IRF640），并设计基于专用驱动芯片（如IR2110）的栅极驱动电路，确保开关管快速导通与关断，降低开关损耗。
阻抗匹配网络：压电变压器在谐振点附近呈现容性阻抗特性，直接由电压源驱动会导致巨大的无功电流，降低效率并对开关管造成应力。因此，必须在逆变器输出与压电变压器输入之间加入阻抗匹配网络。本设计采用串联电感L_match进行匹配，使电路在谐振频率f_r处发生串联谐振，呈现纯阻性，从而使压电变压器获得最大的有功功率，并显著降低对开关管的电流要求。匹配电感的感值由公式L_match = 1/[(2πf_r)^2 * C_d1] 计算得出，。该电感需采用高频磁芯（如铁氧体）绕制，并考虑其自身的电流承载能力和品质因数。
高压整流与滤波电路：压电变压器输出为高频高压交流电，需经整流滤波得到直流高压。由于输出电压极高，采用传统的单二极管全波整流桥会因二极管耐压问题而变得复杂。本设计采用科克罗夫特-沃尔顿（Cockcroft-Walton）多级电压倍增电路。该电路利用电容和二极管级联，即可实现高压整流与倍压，且每个电容和二极管只需承受两倍的交流峰值电压，降低了对单个元件的耐压要求。根据目标输出电压（如3kV）计算所需的级数n。滤波则主要依靠倍增电路中的电容。
控制电路设计
压电变压器的谐振频率会随负载、温度的变化而发生漂移。为确保模组始终工作在最佳效率点，必须引入频率自动跟踪技术。本设计采用锁相环（PLL）控制策略。
鉴相器（PD）：通过电流互感器采样流经匹配电感（或压电变压器输入端的电流信号（I_pt），同时采样半桥中点电压（V_inv）。电流信号相位超前于电压信号，且在其振点时相位差为一固定值（如90度）。鉴相器通过比较I_pt和V_inv的相位差产生误差信号。
环路滤波器（LF）：通常为比例积分（PI）控制器，用于滤除误差信号中的高频分量，并产生稳定的控制电压。
压控振荡器（VCO）：采用直接数字频率合成（DDS）芯片（如AD9833）实现。DDS接收来自微控制器的数字指令，产生频率可精确调节的正弦波或方波信号。其输出频率由LF输出的控制电压（经ADC转换后）决定。该信号经过驱动电路后控制半桥逆变器。
工作原理：系统上电后，VCO从一预设频率开始扫描。当输出频率接近压电变压器的谐振频率时，I_pt与V_inv的相位差接近设定值，鉴相器输出的误差电压减小。通过PI调节，最终将系统频率锁定在谐振点，从而实现最大功率传输和最高效率。
四、 关键技术与仿真分析
热管理设计
尽管压电变压器效率高，但在满负荷运行时，其自身介电损耗、机械损耗以及功率电路的开关损耗仍会产生热量。为确保模组长期可靠工作，需进行热设计。
* 为功率MOSFET安装散热器。
* 将压电变压器通过导热硅胶与金属外壳紧密接触，利用外壳散热。
* 在布局上，将发热量大的功率部件与对温度敏感的控制电路分区布置。
基于PSpice的电路仿真
为验证设计方案的可行性，利用PSpice软件搭建系统仿真模型。
* 元件模型：压电变压器使用其集总参数等效电路模型（L1, C1, R1代表机械振动支路，C_d1, C_d2代表静态电容）。
* 仿真结果：
1. 阻抗特性：扫描频率显示，在匹配电感作用下，，输入阻抗最小，验证了匹配网络的有效性。
2. 稳态输出：在输入24V DC，，。
3. 效率估算：通过测量输入功率和输出功率（负载功率），仿真计算得到在额定负载下，模组的整体效率预计可达86%。
4. 锁相环动态跟踪：在仿真中引入负载阶跃变化，观察PLL控制环路能够在一定时间内重新锁定频率，证明了控制策略的鲁棒性。
五、 结论与展望
本文完成了一种基于压电陶瓷谐振原理的高压模组的详细设计。该设计以环形径向振动压电变压器为核心，通过半桥逆变电路和串联电感匹配网络为其提供高效的高频激励，采用基于锁相环的频率自动跟踪技术以确保模组始终工作在最佳谐振状态，并通过多级电压倍增电路获得稳定的直流高压输出。理论分析与仿真结果表明，所设计的模组能够实现输入24V直流、输出超过3kV直流高压的目标，且预计转换效率高、功率密度大、电磁兼容性好。
后续工作将集中于以下几个方面：首先，加工制作物理样机，通过实验精确测量其实际性能指标（输出电压、功率、效率、纹波、温升等），并与仿真结果进行对比验证。其次，深入研究负载特性对模组性能的影响，优化控制算法以提升动态响应速度和带载能力。最后，探索将该技术应用于特定场景，如小型化离子发生器或光电倍增管电源，推动其工程化与产业化进程。