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Emile Bigot

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.

Sahar Ghandour

La tendance actuelle vers la miniaturisation des circuits électroniques a poussé vers ledéveloppement des systèmes sur puce (SoC : System on Chip) contenant plusieurs composants. Cescomposants réalisant des fonctions variées, ont besoin de différentes tensions d’alimentation fourniesà l’aide de plusieurs convertisseurs DC/DC connectés à l’alimentation du SoC. Actuellement, laplupart des circuits électroniques dans les applications portables contiennent des convertisseursDC/DC conventionnels utilisant une inductance pour stocker transitoirement l’énergie électrique.L’inductance étant un composant passif difficilement intégrable, ces convertisseurs sontconnectés à l’extérieur de la puce. Une alternative aux convertisseurs conventionnels est leconvertisseur à capacités commutés, qui a l’avantage d’être facilement intégrable sur silicium.Toutefois, il présente des limitations à cause de la dépendance du facteur de conversion avec lenombre de condensateurs. De plus, les pertes inhérentes à la charge et à la décharge descondensateurs font diminuer son rendement. Il est donc intéressant de trouver une nouvellealternative pour concevoir un convertisseur DC/DC compact et performant afin d’obtenir un circuitélectronique complètement intégrable sur silicium.Le sujet de cette thèse répond au besoin d’une nouvelle méthode de conversion DC/DCintégrable sur silicium et à haut rendement. L’idée est d’utiliser une capacité variable mécaniquementà la place d’une inductance pour stocker l’énergie électrique transitoire. Le condensateur variable serafabriqué par des procédés de fabrication de microsystème MEMS sur silicium ce qui permet d’intégrerla totalité du convertisseur.Dans ce mémoire, nous expliquons tout d’abord le principe et le fonctionnement d’un abaisseur etd’un élévateur de tension utilisant notre nouvelle approche. Par la suite, nous présentons laconception et la fabrication d'un MEMS adapté à la conversion de tension. Finalement, nousexpliquons notre méthode de contrôle utilisant une commutation à zéro de tension. Le rendement d'unélévateur 10V-20V obtenu par simulation est de l’ordre de 88% lorsque la gestion électrique estréalisée avec des composants discrets. Ce rendement très prometteur, devrait être amélioré dans lefutur lorsque tout le système sera intégré sur silicium.

Wenkang Huang

Brandon Grainger, Zachary Smith

Benfei Wang

Yanping Jiao

Muhammad Qasim Khan, Muhammad Mansoor Khan, Jiang Huawei et al.

Anthony Vade

Yasunori Kobori

Carlos Andrés Ramos-Paja, Roberto Giral, Carlos Carrejo

Zalán SZŰGYI, Zalán PORKOLÁB

D. K. D. K. Shah

H. Watanabe, H. Matsuo

Jinke Tang, C.J. O'Connor, Sischu Li