[科普中国]-压电变压器接触散热装置

简介

压电变压器接触散热装置是为了解决压电变压器工作时的发热现象，抑制压电变压器工作时候的温升，从而实现实现可靠工作和高功率密度能量传输。

压电变压器利用压电材料的逆压电效应和压电效应，通过机械振动实现了能量传递，具有功率密度高、结构简单、成本低等巨大的优势，可能成为电磁变压器的替代产品。理论上压电变压器的功率密度可高达以上，现在实际使用时低于，这种实际和理论的差距主要是介电、机械和压电损耗发热造成的1。

以往压电变压器通常釆用点固支方式、仅依靠空气对流较为单一的方法进行散热，普遍存在散热效率低、本体发热严重、稳定性差、功率密度低的缺点，大大制约了压电变压器的普及。而面接触式压电变压器散热方式，有效地解决了相关问题，使压电变压器的可利用的功率密度得以大幅提高。此种散热方式对于电材料的其它用途也有很大的应用空间2。

研究背景随着电子科技的发展，高功率，小体积已经成为科技发展的必然趋势，压电陶瓷本身拥有让很多材料无法比拟的潜在高功率密度，是现代电磁变压器小型化的可能的替代品，因为发热量大引起的材料参数的变化，也使得压电变压器工作时候的状态不稳定，因此其应用局限在低功率密度阶段严重制约了其在大功率场合的应用，损耗造成的温升使得压电变压器不能满足科技发展的需求，甚至面临着被淘汰的命运。

工业中常用的功率电子器件都考虑到了散热需求，使用散热器件进行散热，保证了功率器件工作的输出功率和稳定性。对于压电变压器，基于同样的考虑，希望外部辅助散热可以带来同样理想的效果。然而因为压电变压器本身工作时候的机电特性，散热装置的设计难于普通的静止的功率器件，甚至被认为是不可能的，所以直到今天，压电变压器配套的散热装置的研究尤为重要3。

压电变压器散热装置的设计压电变压器本身工作在谐振状态，普通的电子功率器件工作时候是静止不动的，这是压电变器与现有的电子功率器件最大的不同。由于不同种类的压电变压器振型不同，即振动的方向不同，电极分布位置不同，这些特点增加了设计的难度。因此对于不同种类的压电变压器，需要配套的散热装置的设计。根据和压电变压器的靠近关系将整个散热装置分为三个部分：散热结构，外壳，外部散热器2。

散热结构设计

压电变压器散热结构设计和分析的基本依据

众所周知，热能传递分为三种基本方式：热传导、热对流及热辐射。其中，导热、对流这两种热最传递方式只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐射可以在真空中传递，而且实际上在真空中福射能的传递最有效。

压电变压器散热结构的设计是基于以上三种方式，因压电变压器本身具有极高功率密度，仅仅依靠本身的自然热对流很难满足需求，值得注意的是，对于工业上已经成熟应用的功率集成芯片，外壳内部的散热方式一般情况下采用热传递方式来设计，这种方式更加容易将体积做小，结构简单，基于以上考虑，压电变压器散热结构优先选用热传递的方式，也可以考虑强制热对流来帮助散热。通过前面的对三种散热方式的介绍，我们知道热辐射只有当温度升高到一定程度的情况下，才能发挥比较强的散热能力，但是此时压电变压器可能己经在退极化了。压电陶瓷在正弦交流电驱动工作情况下，高于摄氏度，已经不稳定了，正常稳定的工作温度控制在摄氏度以下，可以说此时的热辐射起到的效果非常小。因此整个散热装置设计主要基于热传递和热对流两种方式。

普通的功率芯片内芯直接固定在外壳上，然而对于压电变压器而言，完全的固定相当于试图停止压电变压器的工作，将会对其传递的功率和效率产生极大的影响。为了保证压电变压器工作时候充分自由的状态，固定点选择在工作振型位移为0的点，尽量以点的形式来固定，这样可以减少对压电变压器振动的约束，这是压电变压器固定被普遍认可和接受的方法。为了实现将热很好的传递出去同时不吸收压电变压器工作时候的振动能量，和压电变压器直接接触的热耦合元件（导热物质），需要具备导热性能好，品质因数高的特性。有些液体如石圭油）的导热性能良好，但因阻尼太大，我们不予考虑2。

外部散热器选择

电子散热器广泛应用于电子设备中的功率元器件，小到三极管，大到集成电路等。散热器满足了高功率电子器件的散热需求，保证了元器件能安全可靠的工作。前面介绍了压电变压器外壳内部散热结构的设计过程，外壳外围需要散热器帮助进步将热量散发到空气中。幸运的是，电子器件外围散热器常用的选择方法非常成熟，同样适用于压电变压器的外围散热器选择和应用。

散热器的分类没有严格意义，按照材料分为：铜散热器、铝散热器和钢散热器。

按照特点分为：西竹散热器、密齿型散热器、组合散热器。

散热器选用根据以下技术参数：

（1）功率器件本身的主要技术参数和使用参数。

（2）使用环境温度。

（3）散热器的体积、质量、温升、热阻及价格等。

散热器安装在功率器件上后，等效的热路图如图所示，功率器件工作适合内部发热，经过内部的热阻Ri，到达外壳，热量流过外壳和散热器之间有接触热阻Rc，到达散热表面，最后经由散热器热阻Rf后，到达空气中。

总热阻计算为：

散热器的热阻为：

P：耗散功率，Tjmax：功率器件最大允许节点温度，Tc：功率器件外壳温度，Tf：散热器温度，Ta：环境温度，Ri：功率器件内阻，Rc：器件与散热器的接触热阻，Rf：散热器的热阻。

实际散热器选择中，功率器件最大的允许节点温度、环境、内部热阻和耗散的功率属于己知参数，通过公式可以获得总散热器热阻，通过查询接触热阻参考表，获得对应情况下的接触热阻，最后可以得到散热的热阻，从散热器国家标准及相关标准中选择合适的散热器4。

散热装置的影响右图为带有散热装置的压电变压器能量流动图，从图中可以清楚的看出：电能从驱动电路传输到压电变压器的输入部分，使得压电变压器发生共振，经过逆压电效应，转换为机械能，然后通过正压电效应，转换为电能供应到负载电路。

压电变压器进行能量转换的过程中，存在介电损失，压电损失和弹性损失。这些损失以热的形式存储在压电材料内部，造成压电变压器的温度升高，虽然压电陶瓷本身的散热能力很差，仍然会有一部分热量随着温度的升高通过热对流的方式耗散在空气中忽略热辐射影响），若没有散热装置帮助传热，所有损失的能量都用来使压电变器温度升高。

众所周知，压电材料本身的参数会随着温度的升高随之变化这种变化使得损耗因子变大同样的功率情况下，发热量更大），压电材料的变化加大了三种损失的产生，从而产生更多的热量，整个过程形成了一个不断使温度升高的正反馈，当压电材料温度达到居里点后，完全失去极化特性，压电变压器将不能工作。往往伴随着交流电场的作用，压电材料的性能随着温度的升高，更加容易退极化，温度不到居里点的时候，己经不能工作了。若有合适的散热装置，将热量通过散热结构经外壳传递到散热器中，进一步散到空气中，在一定程度上，打破了不断使温度升高的正反馈，可以有效改善压电变压器工作时候的温度环境。然而，比较常用的有效传热方式热传递需要接触来导出热量，因压电变压器工作时候共振的特点，接触导热的过程中，接触面将会受到摩擦影响，摩擦也会带来额外的损耗热量，另外对压电陶瓷的电极面有一定的磨损2。

接触摩擦力的影响为了压电变压器和散热结构充分接触，需要施加一个预应力保证他们充分接触，因为压电变压器是机电元件，工作时候本身在共振状态，散热结构和其直接接触，压电变压器的工作时候产生的位移和预应力共同作用，会产生额外的摩擦力，这个摩擦力将会对压电变压器产生影响。

为了尽量避免对振型的致命影响，预应力最好能施加在垂直于压电变压器振动方向的位置上，这种情况将很大程度上减少对振型的影响。对于拥有典型的轮廓振型的圆形或矩形压电变压器，预应力和摩擦力满足以上要求。由于接触面上的预应力和摩擦力，伴随着传热结构的阻尼影响伍电变压器振动的能量有一部分被转换为热能，因此尽量小的接触预应力和高品质因数的热传递结构可以使这种损失减小。同时滑动摩擦力将会成为一个新的热源，使得压电变压器的热源增加了接触表面的摩擦热2。