[发明专利]一种具有高功率密度的三元系弛豫铁电单晶压电变压器

说明书

技术领域

本发明属于电学领域，涉及一种变压器，尤其涉及一种具有高功率密度的三元系弛豫铁电单晶压电变压器。

背景技术

随着电子信息处理设备的微型化、集成化的迫切需要和驱动电路的日趋成熟，变压器已从高压领域(功率通常较小)拓展到AC/DC、DC/DC转换等功率电子器件领域，这些功率电子器件要求能够在较小体积上实现较大的功率输出，制备具有高功率密度的新型变压器也成为近年来研究的热点。

压电变压器是一种基于压电耦合效应，通过阻抗变换来实现电压升降的电子元器件。与传统的电磁变压器相比，具有变压比大、转换效率高、无电磁干扰、耐高温以及短路保护等独特的优点。

压电材料是压电变压器的核心元件，压电材料性能的好坏直接决定了变压器性能的优劣，传统的压电变压器使用的主要是压电陶瓷，为进一步缩小其体积、提升功率密度，迫切需要寻找新型的大功率压电材料。

以铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃)(以下简写为PMN-PT)为代表的二元系高性能弛豫铁电单晶材料在准同型相界附近三方相区域压电性能可达压电陶瓷材料的5-10倍，其中，压电系数d₃₃和d₃₁分别可以达到2,500pC/N、2,000pC/N以上，机电耦合系数k₃₃和k₃₁均可以达到90％以上，因此，在新一代换能器、驱动器与传感器的应用中显现出非常好的前景，也引起了科技界和工业界的广泛关注。

申请人利用PMN-PT单晶优异的压电性能，率先报道了单层和多层Rosen型变压器，其中单层Rosen型变压器开路升压比达到138，功率密度约为同种型式陶瓷变压器的4倍，转换效率可达95％。

然而，进一步研究发现，二元系PMN-PT单晶在大功率应用时存在矫顽场较低、退极化温度不够高的问题，即存在发热使材料性能退化，进而引起器件失效的问题，这对于变压器在较大功率下的应用是非常不利的。如何能够在保持高压电系数及机电耦合系数的同时，提高机械品质因数，降低损耗，增加单晶的矫顽场以及拓宽温度使用范围就显得非常重要。

研究表明，在二元系PMN-PT单晶的基础上，引入铟(In)元素制备三元系弛豫铁电单晶PMN-PIN-PT，可使单晶矫顽场从2-3kV/cm增加到5kV/cm以上，退极化温度提高至100℃以上，单晶的机械品质因数也有所增大，三元系弛豫铁电单晶PMN-PIN-PT在超声传感器上已经开始使用，但至今并未发现其在变压器上的相关报道。

发明内容

为了解决二元系PMN-PT单晶压电变压器存在的上述问题，本发明提供一种具有高功率密度的三元系弛豫铁电单晶压电变压器。

本发明的目的在于提供一种具有高功率密度的三元系弛豫铁电单晶压电变压器，所述单晶压电变压器包括压电元件，所述压电元件的材料为铌镁酸铅-铌铟酸铅-钛酸铅(PMN-PIN-PT)单晶。

作为本发明的一个优选实施例，所述PMN为铌镁酸铅，所述PIN为铌铟酸铅，所述PT为钛酸铅。

作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT的化学组成为(1-x-y)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–yPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃，其中，x＝0.05-0.50，y＝0.05-0.50；优选为x＝0.25-0.35，y＝0.30-0.38。

作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT位于准同型相界附近三方相区域。

作为本发明的一个优选实施例，所述PMN-PIN-PT的结晶学取向为长度沿[100]方向，厚度沿[011]方向，宽度沿方向。

作为本发明的一个优选实施例，所述压电元件包括上表面和下表面，所述上表面包括输入部分和输出部分，所述输入部分包含至少2个输入端，所述输出部分包含至少1个输出端，所述输出端位于所述输入端之间；所述下表面包括公共接地端。

作为本发明的一个优选实施例，所述公共接地端为全电极。

作为本发明的一个优选实施例，所述输入端之间可以并联连接或串联连接，并优选为并联连接。