基本介紹
- 中文名：壓電變壓器接觸散熱裝置
- 外文名：Contacted Heat Transfer System of Piezoelectric Transformers
- 作用：抑制壓電變壓器工作時的溫升
- 目的一：實現高功率密度能量傳輸
- 目的二：實現可靠工作
- 優點：散熱效率高、穩定性好等
簡介,研究背景,壓電變壓器散熱裝置的設計,散熱裝置的影響,接觸摩擦力的影響,
簡介
壓電變壓器接觸散熱裝置是為了解決壓電變壓器工作時的發熱現象，抑制壓電變壓器工作時候的溫升，從而實現實現可靠工作和高功率密度能量傳輸。
壓電變壓器
壓電變壓器壓電變壓器利用壓電材料的逆壓電效應和壓電效應，通過機械振動實現了能量傳遞，具有功率密度高、結構簡單、成本低等巨大的優勢，可能成為電磁變壓器的替代產品。理論上壓電變壓器的功率密度可高達以上，現在實際使用時低於，這種實際和理論的差距主要是介電、機械和壓電損耗發熱造成的。
以往壓電變壓器通常釆用點固支方式、僅依靠空氣對流較為單一的方法進行散熱，普遍存在散熱效率低、本體發熱嚴重、穩定性差、功率密度低的缺點，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。此種散熱方式對於電材料的其它用途也有很大的套用空間。
研究背景
隨著電子科技的發展，高功率，小體積已經成為科技發展的必然趨勢，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，是現代電磁變壓器小型化的可能的替代品，因為發熱量大引起的材料參數的變化，也使得壓電變壓器工作時候的狀態不穩定，因此其套用局限在低功率密度階段嚴重製約了其在大功率場合的套用，損耗造成的溫升使得壓電變壓器不能滿足科技發展的需求，甚至面臨著被淘汰的命運。
壓電陶瓷
壓電陶瓷工業中常用的功率電子器件都考慮到了散熱需求，使用散熱器件進行散熱，保證了功率器件工作的輸出功率和穩定性。對於壓電變壓器，基於同樣的考慮，希望外部輔助散熱可以帶來同樣理想的效果。然而因為壓電變壓器本身工作時候的機電特性，散熱裝置的設計難於普通的靜止的功率器件，甚至被認為是不可能的，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。
壓電變壓器散熱裝置的設計
壓電變壓器本身工作在諧振狀態，普通的電子功率器件工作時候是靜止不動的，這是壓電變器與現有的電子功率器件最大的不同。由於不同種類的壓電變壓器振型不同，即振動的方向不同，電極分布位置不同，這些特點增加了設計的難度。因此對於不同種類的壓電變壓器，需要配套的散熱裝置的設計。根據和壓電變壓器的靠近關係將整個散熱裝置分為三個部分：散熱結構，外殼，外部散熱器。
散熱結構設計
壓電變壓器散熱結構設計和分析的基本依據
眾所周知，熱能傳遞分為三種基本方式：熱傳導、熱對流及熱輻射。其中，導熱、對流這兩種熱最傳遞方式只在有物質存在的條件下才能實現，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實際上在真空中福射能的傳遞最有效。
集成晶片
集成晶片壓電變壓器散熱結構的設計是基於以上三種方式，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流很難滿足需求，值得注意的是，對於工業上已經成熟套用的功率集成晶片，外殼內部的散熱方式一般情況下採用熱傳遞方式來設計，這種方式更加容易將體積做小，結構簡單，基於以上考慮，壓電變壓器散熱結構優先選用熱傳遞的方式，也可以考慮強制熱對流來幫助散熱。通過前面的對三種散熱方式的介紹，我們知道熱輻射只有當溫度升高到一定程度的情況下，才能發揮比較強的散熱能力，但是此時壓電變壓器可能己經在退極化了。壓電陶瓷在正弦交流電驅動工作情況下，高於攝氏度，已經不穩定了，正常穩定的工作溫度控制在攝氏度以下，可以說此時的熱輻射起到的效果非常小。因此整個散熱裝置設計主要基於熱傳遞和熱對流兩種方式。
普通的功率晶片內芯直接固定在外殼上，然而對於壓電變壓器而言，完全的固定相當於試圖停止壓電變壓器的工作，將會對其傳遞的功率和效率產生極大的影響。為了保證壓電變壓器工作時候充分自由的狀態，固定點選擇在工作振型位移為0的點，儘量以點的形式來固定，這樣可以減少對壓電變壓器振動的約束，這是壓電變壓器固定被普遍認可和接受的方法。為了實現將熱很好的傳遞出去同時不吸收壓電變壓器工作時候的振動能量，和壓電變壓器直接接觸的熱耦合元件（導熱物質），需要具備導熱性能好，品質因數高的特性。有些液體如石圭油）的導熱性能良好，但因阻尼太大，我們不予考慮。
外部散熱器選擇
電子散熱器廣泛套用於電子設備中的功率元器件，小到三極體，大到積體電路等。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部散熱結構的設計過程，外殼外圍需要散熱器幫助進步將熱量散發到空氣中。幸運的是，電子器件外圍散熱器常用的選擇方法非常成熟，同樣適用於壓電變壓器的外圍散熱器選擇和套用。
散熱器
散熱器散熱器的分類沒有嚴格意義，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。
散熱器選用根據以下技術參數：
（1）功率器件本身的主要技術參數和使用參數。
（2）使用環境溫度。
（3）散熱器的體積、質量、溫升、熱阻及價格等。
等效熱路圖
等效熱路圖散熱器安裝在功率器件上後，等效的熱路圖如圖所示，功率器件工作適合內部發熱，經過內部的熱阻Ri，到達外殼，熱量流過外殼和散熱器之間有接觸熱阻Rc，到達散熱表面，最後經由散熱器熱阻Rf後，到達空氣中。
總熱阻計算為：
散熱器的熱阻為：
P：耗散功率，Tjmax：功率器件最大允許節點溫度，Tc：功率器件外殼溫度，Tf：散熱器溫度，Ta：環境溫度，Ri：功率器件內阻，Rc：器件與散熱器的接觸熱阻，Rf：散熱器的熱阻。
實際散熱器選擇中，功率器件最大的允許節點溫度、環境、內部熱阻和耗散的功率屬於己知參數，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，獲得對應情況下的接觸熱阻，最後可以得到散熱的熱阻，從散熱器國家標準及相關標準中選擇合適的散熱器。
散熱裝置的影響
右圖為帶有散熱裝置的壓電變壓器能量流動圖，從圖中可以清楚的看出：電能從驅動電路傳輸到壓電變壓器的輸入部分，使得壓電變壓器發生共振，經過逆壓電效應，轉換為機械能，然後通過正壓電效應，轉換為電能供應到負載電路。
壓電變壓器進行能量轉換的過程中，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在壓電材料內部，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，仍然會有一部分熱量隨著溫度的升高通過熱對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。
能量流動圖
能量流動圖眾所周知，壓電材料本身的參數會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，發熱量更大），壓電材料的變化加大了三種損失的產生，從而產生更多的熱量，整個過程形成了一個不斷使溫度升高的正反饋，當壓電材料溫度達到居里點後，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，溫度不到居里點的時候，己經不能工作了。若有合適的散熱裝置，將熱量通過散熱結構經外殼傳遞到散熱器中，進一步散到空氣中，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候的溫度環境。然而，比較常用的有效傳熱方式熱傳遞需要接觸來導出熱量，因壓電變壓器工作時候共振的特點，接觸導熱的過程中，接觸面將會受到摩擦影響，摩擦也會帶來額外的損耗熱量，另外對壓電陶瓷的電極面有一定的磨損。
接觸摩擦力的影響
為了壓電變壓器和散熱結構充分接觸，需要施加一個預應力保證他們充分接觸，因為壓電變壓器是機電元件，工作時候本身在共振狀態，散熱結構和其直接接觸，壓電變壓器的工作時候產生的位移和預應力共同作用，會產生額外的摩擦力，這個摩擦力將會對壓電變壓器產生影響。
為了儘量避免對振型的致命影響，預應力最好能施加在垂直於壓電變壓器振動方向的位置上，這種情況將很大程度上減少對振型的影響。對於擁有典型的輪廓振型的圓形或矩形壓電變壓器，預應力和摩擦力滿足以上要求。由於接觸面上的預應力和摩擦力，伴隨著傳熱結構的阻尼影響伍電變壓器振動的能量有一部分被轉換為熱能，因此儘量小的接觸預應力和高品質因數的熱傳遞結構可以使這種損失減小。同時滑動摩擦力將會成為一個新的熱源，使得壓電變壓器的熱源增加了接觸表面的摩擦熱。
