Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Le transformateur piézoélectrique, de par sa structure physique et ses propriétés, trouve actuellement un nombre croissant d’applications en électronique de puissance. Le principe de son fonctionnement est basé sur l’exploitation de la double conversion électromécanique (effet piézoélectrique inverse) puis mécanoélectrique (effet piézoélectrique direct). Cet article débute par l’analyse des caractéristiques électriques de ces composants. Il s’attarde ensuite sur l’utilisation des transformateurs piézoélectriques dans des alimentations spécifiques à très forte compacité ou bien pour des niveaux de tension élevées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Emmanuel SARRAUTE : Maître de conférences au CNAM - Chercheur au SATIE - ENS de Cachan
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Dejan VASIC : Doctorant au SATIE - ENS de Cachan - Agrégé de Génie électrique
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François COSTA : Professeur des Universités à l’IUFM de Créteil - Chercheur au SATIE - ENS de Cachan
INTRODUCTION
Depuis quelques années, le champ d’utilisation des matériaux piézoélectriques, historiquement réservés aux dispositifs électroacoustiques, aux capteurs mécaniques puis aux actionneurs de précision, continue de s’agrandir, notamment avec de nouvelles applications identifiées en « électronique de puissance » grâce à la mise en œuvre de transformateurs piézoélectriques. L’objectif de cet article est de présenter les potentialités offertes par ce nouveau type de composant en terme de réalisation d’alimentations spécifiques nécessitant par exemple une très forte compacité, et/ou des niveaux de tensions élevés, et/ou une forte isolation galvanique primaire-secondaire. Après quelques rappels sur les principes physiques mis en jeu, les auteurs présentent 1 les structures usuelles de transformateurs piézoélectriques. Leur mode de fonctionnement est ensuite étudié de façon détaillée (§ 2 et 3). Enfin, les structures de conversion statique ainsi que les régimes de commande associés sont posés et analysés 4.
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- Version courante de déc. 2024 par François COSTA, Dejan VASIC
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Généralités
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4. Mise en œuvre dans les convertisseurs statiques
4.1 Spécificités des convertisseurs statiques à transformateurs piézoélectriques
Comme on l’a montré plus haut, le transformateur piézoélectrique (PT) se comporte principalement comme un filtre sélectif : il peut transmettre de la puissance s’il fonctionne autour de sa résonance, sa bande passante est donc étroite. En conséquence, le rendement et le gain (rapport de transformation) fluctuent largement avec sa charge. Cela constitue une différence très importante par rapport à un transformateur magnétique où ces deux paramètres sont quasiment constants sur une grande dynamique de charge et de fréquences de fonctionnement. Cette spécificité trouve donc des conséquences vis-à-vis des structures de conversion dans lesquelles ils sont plongés ainsi que leurs modes de commande. Ainsi, il faudra distinguer les familles d’applications selon la variabilité de la charge et de la tension de sortie. La structure de conversion peut exploiter la caractère capacitif du PT pour assurer une commutation du convertisseur en mode ZVS ( Zéro Voltage Switching ), la structure est très simple. Aussi, selon le degré de variabilité de la charge, ce mode de fonctionnement doit être étendu par des composants réactifs supplémentaires.
De façon générale, le caractère intrinsèquement capacitif du transformateur piézoélectrique conduit à devoir gérer dans la structure des énergies réactives qui contribueront soit à dégrader le facteur de dimensionnement des interrupteurs lorsque des inductances sont associées (existence de régimes oscillants), soit à dégrader le taux de transmission de puissance (rapport entre le temps pendant lequel le transfert de puissance s’opère et la période de découpage).
HAUT DE PAGE4.2 Famille de structures et régimes de commande
Compte tenu de la nature capacitive du transformateur piézoélectrique (PT), il convient de respecter les règles d’association sources/charge lorsque l’on veut l’insérer dans un convertisseur statique. Dans la plupart des applications, la source d’entrée est un générateur de tension et on ne peut donc l’associer au PT via les interrupteurs commandés qu’à trois conditions :
-
soit en respectant les conditions...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BAKER (E.M.), HUANG (W.), CHEN (D.), LEE (F.C.) - Radial mode piezoelectric transformer design for fluorescent lamp ballast applications. - IEEE PESC 2002 Conference, Queensland, Australia, 23-27 june 2002.
-
(2) - BOVE (T.), WOLNY (W.), RINGGAARD (E.), BREBOEL (K.) - * - Proceedings of ISAF’2000, august 2000.
-
(3) - CARSEN (B.) - Design techniques for transformer active reset circuit at high frequency and power level. - International High Frequency Power conversion Conference, pp. 235-246 (1990).
-
(4) - IKEDA (T.) - Fundamentals of piezoelectricity. - Oxford science publication (1996).
-
(5) - IMORI (M.), TANIGUCHI (T.), MATSUMOTO (H.), SAKAI (T.) - A high voltage supply using a piezo ceramic transformer. - Nuclear science symposium 95, pp. 118-121 (1995).
-
(6) - IMORI (M.), TAIGUCHI (T.), MATSUMOTO (H.) - A photomultiplier high voltage power...
1 Fabricants de matériaux et/ou de dispositifs piézoélectriques
(liste non exhaustive)
Ferroperm Piezoceramics A/Shttp://www.ferroperm-piezo.com
Morgan Electro Ceramics (MEC)http://www.morganelectroceramics.com
Murata Manufacturing Co., LtdPanasonic, Matsushita Electronic Components Co., Ltdhttp://panasonic.co.jp/maco/en/
Piezo Systems, Inc.Polytec-PISaint-Gobain Quartz SAShttp://quartz.saint-gobain.com
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