AC-DC converter based on piezoelectric material and adiabatic power Transfer
Convertisseur AC-DC piézoélectrique à transfert de puissance adiabatique
Résumé
Today, the demand for electronic devices continues to increase with the requirements for miniaturization. Most of the volume of the power supply are occupied by the passive components. Therefore, one of the major challenges consists of reducing the size of these passives’ components. Conventional solutions based on magnetic components tend to be limited by the physical properties of ferromagnetic materials. Small scale integration is thus stopped by these intrinsic limitations, which makes it difficult to achieve high efficiency and high power density power supplies. A new mechanism has been developed recently based on piezoelectric resonators. The mechanism consists of transforming an input electrical energy into a mechanical energy before restoring it to an electrical load with the right voltage. The piezoelectric materials are widely used for sensing (accelerometer), harvesting energy (vibration) or to actuating (sonar). These materials offer several advantages, such as can be integrated while achieving small scale, and offering high quality factor and electromechanical coupling factor, enabling high power density and high efficiency operation. Also, they have an LC-resonator behavior, which enables their use in resonant converters. Nevertheless, their usage in power converters should be investigated for a better utilization. Therefore, in the first part of this thesis, we studied the conversion mechanism, that alternates between connected voltage stage for charge transfer and open circuit stage for soft changing of the voltage level across the PR and performing soft-switching, reducing losses and EMI interference. A generic model of six-stages based switching sequence is developed, this model estimates the timing of each stage and the amplitude of the current related to the amplitude of the vibration. Furthermore, we propose a dc-dc converter based on PR targeting high-to-low voltage and low power applications (up to 100W), suitable for grid to load power supply. Indeed, the proposed topology enables high step-down voltage conversion and minimizes the stored energy in the PR. In the second part, we propose a design of the DC-DC converter based on PR, with an actual circuit for an input voltage up to 250V and an output voltage up to 125V. This converter achieved an output power up to 50W with an efficiency of 93% for radial mode vibration at frequency near 90kHz, and an output power up to 175W for thickness mode vibration at a frequency of 1MHz. Experimental waveforms are exhibited, which show how the conversion cycle evolves through the various operating conditions. After that, we have focused on the development of a first control strategy for closed-loop operation for a such conversion principle. The control strategy enables load regulation, while achieving the conversion cycle, the soft switching operation, soft-charging and phase/frequency control for the synchronization with the mechanical vibration of the PR. The control strategy is then implemented in a FPGA with the development of a suited control circuit, for a high step-down DC-DC converter. An actual prototype was designed for input voltage up to 120V and output voltage < 48V. The implemented control demonstrates good performances in terms of response time (<2ms) and the voltage overshoot not exceeds 10% of the output voltage. At the end of this manuscript, we investigate on piezoelectric materials suited for power converters based on piezoelectric resonators. The investigation aims the increasing of the operating frequency, reducing the spurious modes interference, achieving high quality and electromechanical factors and mechanical mounting by using lithium niobate (LNO). Then, a fabricated LNO based PR is presented, and an actual circuit for an operating frequency up to 7MHz. Then, we finish by presenting our perspectives and main challenges that can be investigated in the future, and the potential opportunities of power conversion based on PRs.
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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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