壓電變壓器接觸散熱裝置

壓電變壓器本身工作在諧振狀態(tài)，普通的電子功率器件工作時(shí)候是靜止不動(dòng)的，這是壓電變器與現(xiàn)有的電子功率器件最大的不同。由于不同種類的壓電變壓器振型不同，即振動(dòng)的方向不同，電極分布位置不同，這些特點(diǎn)增加了設(shè)計(jì)的難度。因此對(duì)于不同種類的壓電變壓器，需要配套的散熱裝置的設(shè)計(jì)。根據(jù)和壓電變壓器的靠近關(guān)系將整個(gè)散熱裝置分為三個(gè)部分：散熱結(jié)構(gòu)，外殼，外部散熱器 。

散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的基本依據(jù)

眾所周知，熱能傳遞分為三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射。其中，導(dǎo)熱、對(duì)流這兩種熱最傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實(shí)際上在真空中福射能的傳遞最有效。

壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于以上三種方式，因壓電變壓器本身具有極高功率密度，僅僅依靠本身的自然熱對(duì)流很難滿足需求，值得注意的是，對(duì)于工業(yè)上已經(jīng)成熟應(yīng)用的功率集成芯片，外殼內(nèi)部的散熱方式一般情況下采用熱傳遞方式來設(shè)計(jì)，這種方式更加容易將體積做小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基于以上考慮，壓電變壓器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用熱傳遞的方式，也可以考慮強(qiáng)制熱對(duì)流來幫助散熱。通過前面的對(duì)三種散熱方式的介紹，我們知道熱輻射只有當(dāng)溫度升高到一定程度的情況下，才能發(fā)揮比較強(qiáng)的散熱能力，但是此時(shí)壓電變壓器可能己經(jīng)在退極化了。壓電陶瓷在正弦交流電驅(qū)動(dòng)工作情況下，高于攝氏度，已經(jīng)不穩(wěn)定了，正常穩(wěn)定的工作溫度控制在攝氏度以下，可以說此時(shí)的熱輻射起到的效果非常小。因此整個(gè)散熱裝置設(shè)計(jì)主要基于熱傳遞和熱對(duì)流兩種方式。

普通的功率芯片內(nèi)芯直接固定在外殼上，然而對(duì)于壓電變壓器而言，完全的固定相當(dāng)于試圖停止壓電變壓器的工作，將會(huì)對(duì)其傳遞的功率和效率產(chǎn)生極大的影響。為了保證壓電變壓器工作時(shí)候充分自由的狀態(tài)，固定點(diǎn)選擇在工作振型位移為0的點(diǎn)，盡量以點(diǎn)的形式來固定，這樣可以減少對(duì)壓電變壓器振動(dòng)的約束，這是壓電變壓器固定被普遍認(rèn)可和接受的方法。為了實(shí)現(xiàn)將熱很好的傳遞出去同時(shí)不吸收壓電變壓器工作時(shí)候的振動(dòng)能量，和壓電變壓器直接接觸的熱耦合元件（導(dǎo)熱物質(zhì)），需要具備導(dǎo)熱性能好，品質(zhì)因數(shù)高的特性。有些液體如石圭油）的導(dǎo)熱性能良好，但因阻尼太大，我們不予考慮 。

外部散熱器選擇

電子散熱器廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中的功率元器件，小到三極管，大到集成電路等。散熱器滿足了高功率電子器件的散熱需求，保證了元器件能安全可靠的工作。前面介紹了壓電變壓器外殼內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，外殼外圍需要散熱器幫助進(jìn)步將熱量散發(fā)到空氣中。幸運(yùn)的是，電子器件外圍散熱器常用的選擇方法非常成熟，同樣適用于壓電變壓器的外圍散熱器選擇和應(yīng)用。

散熱器的分類沒有嚴(yán)格意義，按照材料分為：銅散熱器、鋁散熱器和鋼散熱器。

按照特點(diǎn)分為：西竹散熱器、密齒型散熱器、組合散熱器。

散熱器選用根據(jù)以下技術(shù)參數(shù)：

（1）功率器件本身的主要技術(shù)參數(shù)和使用參數(shù)。

（2）使用環(huán)境溫度。

（3）散熱器的體積、質(zhì)量、溫升、熱阻及價(jià)格等。

散熱器安裝在功率器件上后，如《等效熱路圖》所示，功率器件工作適合內(nèi)部發(fā)熱，經(jīng)過內(nèi)部的熱阻R_i，到達(dá)外殼，熱量流過外殼和散熱器之間有接觸熱阻R_c，到達(dá)散熱表面，最后經(jīng)由散熱器熱阻R_f后，到達(dá)空氣中。

總熱阻計(jì)算為：

散熱器的熱阻為：

P：耗散功率，T_jmax：功率器件最大允許節(jié)點(diǎn)溫度，T_c：功率器件外殼溫度，T_f：散熱器溫度，T_a：環(huán)境溫度，R_i：功率器件內(nèi)阻，R_c：器件與散熱器的接觸熱阻，R_f：散熱器的熱阻。

實(shí)際散熱器選擇中，功率器件最大的允許節(jié)點(diǎn)溫度、環(huán)境、內(nèi)部熱阻和耗散的功率屬于己知參數(shù)，通過公式可以獲得總散熱器熱阻，通過查詢接觸熱阻參考表，獲得對(duì)應(yīng)情況下的接觸熱阻，最后可以得到散熱的熱阻，從散熱器國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適的散熱器 。

如《能量流動(dòng)圖》所示為帶有散熱裝置的壓電變壓器能量流動(dòng)圖，從圖中可以清楚的看出：電能從驅(qū)動(dòng)電路傳輸?shù)綁弘娮儔浩鞯妮斎氩糠?，使得壓電變壓器發(fā)生共振，經(jīng)過逆壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過正壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)到負(fù)載電路。

壓電變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過程中，存在介電損失，壓電損失和彈性損失。這些損失以熱的形式存儲(chǔ)在壓電材料內(nèi)部，造成壓電變壓器的溫度升高，雖然壓電陶瓷本身的散熱能力很差，仍然會(huì)有一部分熱量隨著溫度的升高通過熱對(duì)流的方式耗散在空氣中忽略熱輻射影響），若沒有散熱裝置幫助傳熱，所有損失的能量都用來使壓電變器溫度升高。

眾所周知，壓電材料本身的參數(shù)會(huì)隨著溫度的升高隨之變化這種變化使得損耗因子變大同樣的功率情況下，發(fā)熱量更大），壓電材料的變化加大了三種損失的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生更多的熱量，整個(gè)過程形成了一個(gè)不斷使溫度升高的正反饋，當(dāng)壓電材料溫度達(dá)到居里點(diǎn)后，完全失去極化特性，壓電變壓器將不能工作。往往伴隨著交流電場(chǎng)的作用，壓電材料的性能隨著溫度的升高，更加容易退極化，溫度不到居里點(diǎn)的時(shí)候，己經(jīng)不能工作了。若有合適的散熱裝置，將熱量通過散熱結(jié)構(gòu)經(jīng)外殼傳遞到散熱器中，進(jìn)一步散到空氣中，在一定程度上，打破了不斷使溫度升高的正反饋，可以有效改善壓電變壓器工作時(shí)候的溫度環(huán)境。然而，比較常用的有效傳熱方式熱傳遞需要接觸來導(dǎo)出熱量，因壓電變壓器工作時(shí)候共振的特點(diǎn)，接觸導(dǎo)熱的過程中，接觸面將會(huì)受到摩擦影響，摩擦也會(huì)帶來額外的損耗熱量，另外對(duì)壓電陶瓷的電極面有一定的磨損 。

壓電變壓器接觸散熱裝置是為了解決壓電變壓器工作時(shí)的發(fā)熱現(xiàn)象，抑制壓電變壓器工作時(shí)候的溫升，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可靠工作和高功率密度能量傳輸。

壓電變壓器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，通過機(jī)械振動(dòng)實(shí)現(xiàn)了能量傳遞，具有功率密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等巨大的優(yōu)勢(shì)，可能成為電磁變壓器的替代產(chǎn)品。理論上壓電變壓器的功率密度可高達(dá)以上，現(xiàn)在實(shí)際使用時(shí)低于，這種實(shí)際和理論的差距主要是介電、機(jī)械和壓電損耗發(fā)熱造成的 。

以往壓電變壓器通常釆用點(diǎn)固支方式、僅依靠空氣對(duì)流較為單一的方法進(jìn)行散熱，普遍存在散熱效率低、本體發(fā)熱嚴(yán)重、穩(wěn)定性差、功率密度低的缺點(diǎn)，大大制約了壓電變壓器的普及。而面接觸式壓電變壓器散熱方式，有效地解決了相關(guān)問題，使壓電變壓器的可利用的功率密度得以大幅提高。此種散熱方式對(duì)于電材料的其它用途也有很大的應(yīng)用空間 。

隨著電子科技的發(fā)展，高功率，小體積已經(jīng)成為科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，壓電陶瓷本身擁有讓很多材料無法比擬的潛在高功率密度，是現(xiàn)代電磁變壓器小型化的可能的替代品，因?yàn)榘l(fā)熱量大引起的材料參數(shù)的變化，也使得壓電變壓器工作時(shí)候的狀態(tài)不穩(wěn)定，因此其應(yīng)用局限在低功率密度階段嚴(yán)重制約了其在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用，損耗造成的溫升使得壓電變壓器不能滿足科技發(fā)展的需求，甚至面臨著被淘汰的命運(yùn)。

工業(yè)中常用的功率電子器件都考慮到了散熱需求，使用散熱器件進(jìn)行散熱，保證了功率器件工作的輸出功率和穩(wěn)定性。對(duì)于壓電變壓器，基于同樣的考慮，希望外部輔助散熱可以帶來同樣理想的效果。然而因?yàn)閴弘娮儔浩鞅旧砉ぷ鲿r(shí)候的機(jī)電特性，散熱裝置的設(shè)計(jì)難于普通的靜止的功率器件，甚至被認(rèn)為是不可能的，所以直到今天，壓電變壓器配套的散熱裝置的研究尤為重要 。

為了壓電變壓器和散熱結(jié)構(gòu)充分接觸，需要施加一個(gè)預(yù)應(yīng)力保證他們充分接觸，因?yàn)閴弘娮儔浩魇菣C(jī)電元件，工作時(shí)候本身在共振狀態(tài)，散熱結(jié)構(gòu)和其直接接觸，壓電變壓器的工作時(shí)候產(chǎn)生的位移和預(yù)應(yīng)力共同作用，會(huì)產(chǎn)生額外的摩擦力，這個(gè)摩擦力將會(huì)對(duì)壓電變壓器產(chǎn)生影響。

為了盡量避免對(duì)振型的致命影響，預(yù)應(yīng)力最好能施加在垂直于壓電變壓器振動(dòng)方向的位置上，這種情況將很大程度上減少對(duì)振型的影響。對(duì)于擁有典型的輪廓振型的圓形或矩形壓電變壓器，預(yù)應(yīng)力和摩擦力滿足以上要求。由于接觸面上的預(yù)應(yīng)力和摩擦力，伴隨著傳熱結(jié)構(gòu)的阻尼影響伍電變壓器振動(dòng)的能量有一部分被轉(zhuǎn)換為熱能，因此盡量小的接觸預(yù)應(yīng)力和高品質(zhì)因數(shù)的熱傳遞結(jié)構(gòu)可以使這種損失減小。同時(shí)滑動(dòng)摩擦力將會(huì)成為一個(gè)新的熱源，使得壓電變壓器的熱源增加了接觸表面的摩擦熱 。