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Article

1 - APPLICATIONS DE PUISSANCE DES MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES

2 - CONVERSION MÉCANIQUE/ÉLECTRIQUE (RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE)

3 - CONVERSION ÉLECTRIQUE/MÉCANIQUE (GÉNÉRATION ULTRASONORE ET ACTIONNEMENT)

4 - CONVERSION ÉLECTRO-MÉCANO-ÉLECTRIQUE (TRANSFORMATEUR ÉLECTRIQUE)

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3235 v1

Conversion électro-mécano-électrique (transformateur électrique)
Applications des éléments piézoélectriques en électronique de puissance

Auteur(s) : Dejan VASIC, François COSTA

Relu et validé le 25 mai 2022

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RÉSUMÉ

Cet article s'intéresse aux applications de puissance des matériaux piézoélectriques. Ces matériaux sont utilisés depuis de nombreuses années, dans des applications telles que la génération ultrasonore ou l'actionnement. Récemment, d'autres applications sont apparues notamment avec le transformateur piézoélectrique et les micro-sources d'énergie. Le transformateur a trouvé un débouché commercial dans les alimentations de lampe à cathodes froides pour le rétro-éclairage. Les micro-sources piézoélectriques, dont l'énergie est issue de vibration ambiante, semblent promus à un bel avenir dans des applications telles que l'auto-alimentation des réseaux de capteurs abandonnés.

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ABSTRACT

The application of piezoelectric elements in power electronics

This article focuses on the power applications of piezoelectric materials. These materials have been used for many years in applications such as ultrasonic generation or actuation. Recently, other applications have emerged notably the piezoelectric transformer and micro-energy sources. The transformer has found a commercial outlet in the power supply of cold-cathode lamps used for backlighting. Piezoelectric micro-sources, the energy of which is derived from ambient vibrations, seem to predict a bright future for applications such as self-powered abandoned sensor networks.

Auteur(s)

  • Dejan VASIC : Maître de conférences à l'université de Cergy-Pontoise - Chercheur au laboratoire SATIE ENS Cachan

  • François COSTA : Professeur à l'université de Paris Est Créteil - Chercheur au laboratoire SATIE ENS Cachan

INTRODUCTION

Les matériaux piézoélectriques, qui réalisent une conversion électromécanique directe, sont utilisés depuis de nombreuses années dans des applications de puissance telles que la génération ultrasonore ou l'actionnement. Le champ d'utilisation de ces matériaux ne cesse de croître en électronique de puissance notamment avec le transformateur piézoélectrique et les microsources d'énergie.

Le transformateur piézoélectrique a trouvé un débouché commercial dans les alimentations de lampe à cathodes froides pour le rétro-éclairage des écrans à cristaux liquides grâce à ses performances en élévateur de tension.

Les microgénérateurs piézoélectriques dont l'énergie est issue de vibration ambiante ont un avenir prometteur dans des applications telles que l'autoalimentation des réseaux de capteurs abandonnés grâce à de bonnes performances de conversion électromécanique et une compatibilité avec les technologies de fabrication des microsystèmes.

L'objectif de ce dossier est de présenter les potentialités mais aussi les contraintes générées par l'utilisation des matériaux piézoélectriques dans différentes applications en électronique de puissance avec :

  • une introduction sur les matériaux piézoélectriques et une classification des modes de conversion (§ 1) ;

    les systèmes de récupération d'énergie (§ 2) ;

    l'alimentation des générateurs ultrasonores de puissance et des actionneurs (§ 3) ;

  • les structures de conversion statique utilisant des transformateurs piézoélectriques ainsi que les applications (§ 4).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3235


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4. Conversion électro-mécano-électrique (transformateur électrique)

4.1 Généralités

Les premières structures de transformateurs piézoélectriques (TP) sont apparues dans les années 1950, suite aux travaux menés par Charles A. Rosen à l'université de Syracuse aux États-Unis. Ces premiers transformateurs, qui portent aujourd'hui son nom, permettaient d'obtenir une forte élévation de tension, du fait du rapport de forme entre le primaire et le secondaire, mais avaient une faible densité de puissance (5 W/cm3) et étaient très fragiles. 50 ans après, cette technologie est devenue celle qui semble pouvoir remplacer les transformateurs électromagnétiques dans certaines applications spécifiques, grâce notamment à son principe de conversion d'énergie qui utilise des ondes acoustiques et sa structure compacte.

Différentes structures de transformateurs piézoélectriques existent. Il est possible de les faire fonctionner en élévateur ou en abaisseur de tension. Dans la mesure où le fonctionnement est basé sur la mise en vibration d'une céramique piézoélectrique, les performances du transformateur ne sont vraiment intéressantes qu'au voisinage de la résonance mécanique. Jusqu'au début des années 1990, cette technologie n'a pas eu de succès commercial. À partir de cette période, des compagnies japonaises, comme par exemple la société NEC, ont introduit ce type de transformateur dans des applications nécessitant un faible encombrement, un grand rapport d'élévation de tension et peu d'interférences électromagnétiques (CEM) pour des gammes de puissance de 5 à 20 W. Le transformateur piézoélectrique fabriqué par NEC est une amélioration de la structure initiale de Rosen, grâce à l'utilisation de matériaux multicouches et une augmentation de la durée de vie, avec une meilleure gestion des contraintes dans le matériau. Aujourd'hui, le transformateur est utilisé pour le rétro-éclairage des écrans LCD dans les ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables. La vente annuelle de transformateurs piézoélectriques en 2000 est estimée à plus de 20 millions de pièces et la croissance annuelle au Japon est de 10 %. Grâce aux applications LCD, cette technologie est aujourd'hui mature en termes de matériaux, de circuits électroniques et de processus de fabrication, ce qui fait espérer son développement dans d'autres champs d'application. Même si le prix des transformateurs diminue,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HEYWANG (W.), LUBITZ (K.), WERSING (W.) -   Piezoelectricity, evolution and future of a technology.  -  Springer (2008).

  • (2) - IKEDA (T.) -   Fundamentals of piezoelectricity.  -  Oxford science publication (1996).

  • (3) - SAFARI (A.), KORAY (A.) -   Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications.  -  Springer (2008).

  • (4) - BEEBY (S.P.), TUDOR (M.J.), WHITE (N.M.) -   Energy harvesting vibration sources for microsystems applications.  -  Meas. Sci. Technol., 17, p. R175-R195 (2006).

  • (5) - LI (P.), WEN (Y.), LIU (P.), LI (X.), JIA (C.) -   A magnetoelectric energy harvester and management circuit for wireless sensor network.  -  Sensors and Actuators A, 157, p. 100-106 (2010).

  • (6) - ANTON (R.S.), SODANO (A.H.) -   A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006).  -  Smart Mater. Struct., 16,...

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