Microelectronic Integration of Piezoelectric DC/DC converter
Intégration microélectronique de convertisseurs DC/DC piézoélectriques
Résumé
Power electronics aims to condition and control energy from a source to a load. Power converters, such as DC-DC converters, generate a stable output voltage from an unstable input voltage. In the pursuit of miniaturization and increased power density, the use of a piezoelectric element for mechanical energy storage holds promising prospects, especially at frequencies on the order of MHz.The thesis aims to contribute to the field of DC-DC converters using piezoelectric resonators for mechanical energy storage. The goal is to propose regulation strategies and an integrated circuit for non-isolated piezoelectric DC-DC converters operating at multiple MHz. These converters are of significant interest as they eliminate the traditional magnetic component, thus favoring miniaturization and increased power density. The lack of high-frequency regulation is a gap that the thesis strives to fill.This thesis presents piezoelectric DC-DC converters, highlighting their importance in increasing power density. The state of the art of these converters is explored, providing an objective comparison of performance among existing topologies. A generic theoretical model for all piezoelectric DC-DC converter topologies is introduced, representing a significant advance in predicting the operating frequency, duration of each phase of the conversion cycle, and the maximum amplitude of the piezoelectric current as a function of transmitted power and the piezoelectric resonator used. An optimization study of these converters is also conducted to define the optimal operating frequency (the piezoelectric resonator to be used) and the optimal topology to implement, maximizing power density while minimizing losses for a given input voltage, conversion ratio, and output power.In this manuscript, a regulation strategy at a frequency of approximately 10 MHz based on five parallel control loops is presented. The validation of this strategy is discussed, highlighting the challenges related to simulations. The analog design process of the main blocks of each regulation loop is presented, as well as two power stages optimized for different output powers in XFAB06 technology. The final layout of the designed converter and simulations with manufacturing variations related to the integrated circuit and temperature are also presented. Realistic results are obtained, demonstrating the proper operation of the converter at around 10, 6, and 1 MHz.The next steps involve experimental measurements on the designed integrated circuit, a comprehensive theoretical study of regulation loops for different topologies, and the exploration of solutions such as an FPGA for regulation at around 10 MHz. The research aims to strengthen the robustness and flexibility of non-isolated piezoelectric DC-DC converters, paving the way for more diverse and efficient applications beyond the MHz range. In summary, this thesis constitutes an initial proof of concept for the development of more robust piezoelectric converters in terms of power density, low electromagnetic radiation, and compactness of the piezoelectric resonator.
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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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