AC-DC converter based on piezoelectric material and adiabatic power Transfer

Convertisseur AC-DC piézoélectrique à transfert de puissance adiabatique Aujourd'hui, la demande de dispositifs électroniques continue d'augmenter avec des exigences de miniaturisation et de réduction de la taille des alimentations. La majeure partie du volume des alimentations est généralement occupée par les composants passifs. Par conséquent, l'un des principaux défis consiste à réduire la taille de ces composants passifs. Les solutions conventionnelles basées sur les composants magnétiques ont tendance à être limitées par les propriétés physiques des matériaux ferromagnétiques. Leur miniaturisation est donc freinée par ces limitations intrinsèques, ce qui rend difficile la réalisation d'alimentations à haut rendement et à haute densité de puissance. Un nouveau mécanisme a été développé récemment, basé sur des résonateurs piézoélectriques. Ce mécanisme consiste à transformer l'énergie électrique prélevée à une source en énergie mécanique stockée dans un résonateur mécanique avant de la restituer sous forme électrique à une charge sous la tension souhaitée. Les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés pour les applications telles que la mesure (accéléromètre), des systèmes de récupération d’énergie (vibratoire), actionneurs électromécaniques (sonar, nettoyeur ultra-son). Ces matériaux offrent plusieurs avantages, tels que la réduction de volume ou encore la possibilité d’intégration. Par ailleurs, leur facteur de qualité élevé et leur facteur de couplage électromécanique élevé permettent d’atteindre une densité de puissance élevée et un fonctionnement à haut rendement. Ces matériaux peuvent se comporter comme des résonateurs LC, permettant ainsi leur utilisation dans les convertisseurs résonants. Néanmoins, leur utilisation dans les convertisseurs de puissance doit donc être investiguée pour une meilleure utilisation. Ainsi, nous avons étudié le mécanisme de conversion, qui alterne entre une phase à tension constante pour échanger des charges électriques et une phase à circuit ouvert pour changer le niveau de tension du PR de manière douce et ainsi effectuer des commutations à zéro de tension. Ce fonctionnement permet la conversion de puissance avec de faibles pertes et de faibles interférences électromagnétiques. Un modèle générique pour un cycle de conversion contenant six phases est développé permettant d'estimer la durée de chaque phase ainsi que l'amplitude du courant du résonateur. Nous proposons également un convertisseur continu-continu basé sur le PR visant une application pour une conversion de haute vers basse tension et une puissance faible (jusqu'à 100W), cette structure est adaptée pour les appareils s’alimentant à partir du réseau domestique. En effet, la topologie proposée permet une conversion à fort abaissement de tension et une minimisation de l'énergie stockée dans le PR. Dans la deuxième partie, nous proposons la conception d’un convertisseur continu-continu basé sur le PR, conçu et réalisé pour une tension d'entrée allant jusqu'à 250V et une tension de sortie allant jusqu'à 125V. Ce convertisseur a atteint une puissance de sortie de 50W avec un rendement de 93% pour un mode vibration radial à une fréquence proche de 90kHz, et une puissance de sortie de 175W en mode de vibration d’épaisseur à une fréquence de 1MHz. Des formes d'onde expérimentales sont présentées, qui montrent comment le cycle de conversion évolue en fonction des différentes conditions de fonctionnement. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur le développement d'une première stratégie de contrôle pour un fonctionnement en boucle fermée pour ce nouveau principe de conversion. La stratégie de contrôle permet la régulation de la tension de sortie, tout en réalisant le cycle de conversion, des commutations douces et le contrôle de phase/fréquence pour la synchronisation du cycle de pilotage avec la vibration mécanique du PR. La stratégie de contrôle est implémentée dans un FPGA, constituant le circuit de contrôle adapté pour un convertisseur DC-DC fortement abaisseur.