Convertisseur DC/DC piézoélectrique à transfert de puissance adiabatique

Dans notre monde de plus en plus électrique, la conversion et la manipulation efficace des flux de puissance électrique est toujours plus nécessaire. Cette manipulation doit se faire au moindre coût, pour un rendement de conversion élevé tout en présentant un encombrement réduit et un faible impact environnemental et social.Depuis l’invention de l’alimentation à découpage, de nombreuses innovations ont été réalisées à différents niveaux, que ce soit en termes de contrôle global, de topologie de conversion ou d’emploi de nouveaux composants innovants (transistors Hemt GaN, condensateurs céramiques multicouches, matériaux magnétiques nanocristallins, etc..). Ces apports ont permis une augmentation significative de la densité de puissance des convertisseurs de puissance tout en maintenant un rendement de conversion élevé. Néanmoins, si l’on souhaite pousser la miniaturisation à l’extrême, la montée en fréquence des convertisseurs de puissance semble une nécessité.Dans ce contexte actuel, le composant qui apparaît comme limitant au sein du convertisseur de puissance est l’inductance de puissance dont les performances s’effondrent au-delà de quelques mégahertz. Dans le cadre de cette thèse, nous avons investigué un composant alternatif aux inductances de puissance qui emploie une conversion électromécanique au lieu d’électromagnétique pour emmagasiner l’énergie au cours du cycle de conversion : c’est le résonateur piézoélectrique. L’objectif est alors de faire travailler un matériau piézoélectrique autour d’un de ses modes de résonance mécanique (longitudinal, radial, épaisseur) dans l’objectif d’obtenir un effet de stockage dynamique analogue à celui permis par une inductance de puissance, basé sur le magnétisme. L’emploi de ce nouveau composant implique une modification de la topologie de conversion ainsi que l’emploi d’un nouveau cycle de conversion.Au cours de la thèse nous avons pu travailler sur une topologie fortement abaisseuse nécessitant le pilotage de six interrupteurs de puissance ainsi que sur une topologie de conversion isolée employant deux résonateurs pour isoler un primaire d’un secondaire. Nous avons également développé un algorithme permettant de déterminer l’ensemble des variables de pilotage du convertisseur pour l’amener vers le point de fonctionnement désiré. En utilisant ce nouveau modèle du cycle de conversion, nous avons ensuite pu construire une nouvelle loi de contrôle qui, basée sur uniquement deux variables d’observation, permet de piloter les sept instants du cycle de conversion. Ensuite, afin d’améliorer les rendements de conversion sous forts rapports d’élévation ou d’abaissement de tension, nous avons élaboré de nouveaux cycles de conversion étendus sur plusieurs périodes de résonance mécanique. En parallèle aux travaux évoqués, nous avons développé un support mécanique assurant un isolement vibratoire dédié permettant l’insertion du résonateur piézoélectrique dans un PCB d’électronique. Cette structure de maintien accompagne les déplacements du résonateur lors d’un fonctionnement en mode radial dans l’objectif de minimiser les pertes d’attaches et de permettre une intégration compacte du résonateur piézoélectrique dans une carte d’électronique de puissance. Cette nouvelle structure de maintien nous a alors permis de faire une évaluation en puissance rigoureuse et reproductible des performances des résonateurs en PZT pour un fonctionnement en mode radial autour de 100 kHz.En résumé, cette thèse a permis l’exploration des convertisseurs à résonateur piézoélectriques suivant trois aspects : les méthodes de régulation propre de ces convertisseurs, l’intégration mécanique des résonateurs piézoélectriques et la caractérisation en puissance de ces nouveaux composants.