Intégration microélectronique de convertisseurs DC/DC piézoélectriques

L'électronique de puissance vise à conditionner et contrôler l'énergie d'une source vers une charge. Les convertisseurs de puissance, tels que les convertisseurs DC-DC, génèrent une tension de sortie stable à partir d'une tension d'entrée non stable. Dans la quête de miniaturisation et d'augmentation de la densité de puissance, l'utilisation d'un élément piézoélectrique pour le stockage d'énergie mécanique offre des perspectives prometteuses, notamment à des fréquences de l'ordre du MHz.La thèse vise à contribuer au domaine des convertisseurs DC-DC utilisant des résonateurs piézoélectriques pour stocker l'énergie mécaniquement. L'objectif est de proposer des stratégies de régulation et un circuit intégré pour les convertisseurs DC-DC piézoélectriques non isolés fonctionnant à plusieurs MHz. Ces convertisseurs présentent un intérêt majeur en éliminant le composant magnétique traditionnel, favorisant ainsi la miniaturisation et l'augmentation de la densité de puissance. Le manque de régulation à haute fréquence constitue une lacune que la thèse s'efforce de combler.Cette thèse présente des convertisseurs DC-DC piézoélectrique, mettant en évidence son importance pour accroître la densité de puissance. L'état de l'art de ces convertisseurs est exploré, réalisant une comparaison objective des performances entre les topologies existantes. Nous introduisons un modèle théorique générique pour toutes les topologies de convertisseurs DC-DC piézoélectriques, apportant une avancée significative dans la prédiction de la fréquence d'opération, de la durée de chaque phase du cycle de conversion et de l'amplitude maximale du courant piézoélectrique en fonction de la puissance transmise et du résonateur piézoélectrique utilisé. Une étude d'optimisation de ces convertisseurs est également menée dans le but de définir la fréquence de fonctionnement optimale (le résonateur piézoélectrique à utiliser) et la topologie optimale à mettre en œuvre pour maximiser la densité de puissance tout en minimisant les pertes, pour une tension d'entrée, un rapport de conversion et une puissance de sortie donnés.Dans ce manuscrit il est présenté une stratégie de régulation à une fréquence d'environ 10 MHz basée sur cinq boucles de contrôle fonctionnant en parallèle. La validation de cette stratégie est discutée, mettant en lumière les défis liés aux simulations. Nous présentons le processus de conception analogique des principaux blocs de chaque boucle de régulation, ainsi que sur deux étages de puissance optimisés pour différentes puissances de sortie en technologie XFAB06. Il est également présenté le layout final du convertisseur conçu et les simulations avec des variations de fabrication liés au circuit intégré et de température. Des résultats réalistes sont obtenus, démontrant le bon fonctionnement du convertisseur à environ 10, 6 et 1 MHz.Les prochaines étapes impliquent des mesures expérimentales sur le circuit intégré conçu, une étude théorique approfondie des boucles de régulation pour différentes topologies, et l'exploration de solutions telles qu'un FPGA pour une régulation à environ 10 MHz. La recherche vise à renforcer la robustesse et la flexibilité des convertisseurs DC-DC piézoélectriques non isolés, ouvrant la voie à des applications plus diversifiées et efficaces au-delà du MHz. En résumé, cette thèse constitue une première preuve de concept pour le développement de convertisseurs piézoélectriques plus robustes en termes de densité de puissance, de faible rayonnement électromagnétique et de compacité du résonateur piézoélectrique.