Soutenance mémoire
Avec le développement majeur des semis conducteurs et notamment des transistors de puissance au cours des cinquante dernières années, l’électronique de puissance est devenue incontournable pour la gestion des systèmes d’énergie. Il s’agit de contrôler et d’adapter les échanges d’énergie entre une source d’entrée et une charge en fournissant à celle-ci de l’énergie sous une forme adaptée (courant, tension, fréquence, phase …). Les convertisseurs trouvent des applications pour une très grande gamme de puissance allant des très petites (< μW [1]) à très élevées (> GW [2]). Le rendement, le volume, le poids, la fiabilité, la disponibilité de service, la compatibilité électromagnétique et le coût constituent les enjeux majeurs des convertisseurs avec des contraintes plus ou moins sévères selon les applications. Par exemple, la fiabilité et le poids sont prépondérants dans les applications aéronautiques. De même, le critère de rendement maximisé des convertisseurs intégrés dans des systèmes autonomes, par exemple sur des batteries (type téléphone portable) est d’importance car cela permet d’augmenter l’autonomie de ces systèmes (mais aussi de limiter la quantité de chaleur à évacuer).
Le marché des convertisseurs DC-DC est en croissance et est évalué à trois milliards de dollars américains pour l’année 2017. Il est par ailleurs estimé à quatre milliards pour 2023 selon un rapport de Techsci research ® [3]. À titre de comparaison, le marché global des onduleurs, lui aussi en plein essor avec l’augmentation de la surface de panneaux solaires installés s’élèvera à 7,1 milliards de dollars en 2020 selon une étude de GTM Research ® rapporté par le magazine hebdomadaire l’écho du solaire [4]. Les besoins en conversion DC-DC sont donc considérables avec de nombreuses applications dans des domaines très variés et pour divers niveaux de puissance.extraite de la figure 33 de [5], présente un panorama des principales applications des convertisseurs DC-DC en mode élévateur (cette liste est non exhaustive) en fonction du niveau de puissance, du niveau de tension et du secteur d’activité. Les puissances et tensions affichées correspondent cependant aux cas usuels d’applications et doivent donc être lues comme des indications et non comme des limites absolues.
PRINCIPES DE CONVERSION D’ÉNERGIE
CONVERSION DC-DC A STOCKAGE MAGNETIQUE
Les convertisseurs à découpage, se sont très largement développés à partir des années 70-80 bénéficiant des progrès des semi-conducteurs. Contrairement aux régulateurs linéaires dissipatifs, ils permettent d’obtenir de bons rendements même pour des rapports de tension élevés, ils peuvent fonctionner en élévateur et en abaisseur de tension et sont généralement plus compacts grâce aux avancées technologiques qui permettent notamment une fréquence de découpage élevée et ainsi une réduction de taille des éléments passifs de stockage ou de filtrage. Nous allons rappeler ici le fonctionnement de base des convertisseurs à découpages magnétiques pour les convertisseurs boost et buck-boost et ensuite nous introduirons les convertisseurs quasi-résonants à travers l’exemple du convertisseur boost quasi-résonnant avec commutations à zéro de tension.
CONVERTISSEURS BOOST ZVS QUASI RÉSONNANT
Nous avons mis en évidence que pour les convertisseurs boost et buck-boost, présentent des pertes par commutation, pertes qui sont naturellement proportionnelles à la fréquence de commutation. Ces structures ne sont donc pas adaptées pour conserver de bons rendements à des fréquences élevées. Pour réduire au maximum ces pertes par commutations, la solution non dissipative classiquement utilisée consiste à mettre en œuvre une topologie permettant d’ouvrir ou de fermer l’interrupteur uniquement lorsque la tension à ses bornes ou le courant le traversant sont nuls. On parle ainsi de commutation à zéro de tension (ZVS) ou de commutation à zéro de courant (ZCS). On remarque qu’effectivement les pertes sont largement diminuées en commutation douce car le courant ou la tension de l’interrupteur ne sont jamais élevés au moment de la commutation (produit courant tension réduit).
Comme la plupart de ces topologies utilisent une forme de résonance de type LC, ces structures sont dites à résonance. Plusieurs types de convertisseur à résonance sont présents dans la littérature. Nous présentons ici uniquement le principe de base des convertisseurs quasirésonants, qui utilisent des interrupteurs dits quasi résonants [10], dont le fonctionnement sera plus proche du nouveau principe de conversion à base d’éléments piézoélectriques objet de ce manuscrit de thèse.
CONVERTISSEURS PIEZOELECTRIQUES
GÉNÉRALITÉS SUR LA PIÉZOÉLECTRICITÉ
PRÉSENTATION
Pour rappel, les matériaux piézoélectriques possèdent la propriété de se polariser électriquement lorsque qu’ils reçoivent une contrainte mécanique (effet piézoélectrique directe) et de se déformer lorsque qu’ils sont soumis à un champ électrique (effet piézoélectrique inverse). Cela revient à dire qu’en utilisant ces deux effets, on peut convertir de l’énergie mécanique en énergie électrique et inversement. La découverte de la piézoélectricité est attribuée aux frères Pierre et Jacques Curie en 1880. Parmi les grandes dates de la piézoélectricité, figure également l’invention du sonar par les français Paul Langevin et Constantin Chilowski pendant la première guerre mondiale permettant de détecter des sous-marins. Un historique de la piézoélectricité et de son utilisation est disponible en référence [11].
L’intérêt suscité par les matériaux piézoélectriques s’est accru depuis plusieurs décennies avec notamment les progrès considérables dans les procédés de fabrication des matériaux piézoélectriques et des performances associées comme l’amélioration du couplage électromécanique. Ils sont aujourd’hui utilisés dans de nombreux domaines. Parmi eux figurent les sonars, la récupération d’énergie les scanners à ultrason pour le médical, les horloges à quartzs et aussi en électronique de puissance [12]–[15]. Les recherches sur la piézoélectricité se sont intensifiées en particulier à partir des années 90 . Les données de ces courbes correspondent au nombre de publications référencées sur Scopus®. Il faut donc être prudent puisque d’une part le résultat affiché ne correspond pas au nombre réel notamment pour les articles anciens où le référencement à posteriori est difficile et d’autre part les pratiques des chercheurs ont évolué sur cette période en termes de stratégie de publication. Néanmoins, cela permet d’observer des tendances. Pour mieux se situer, on rappelle que le transformateur de Rosen sur lequel la recherche en conversion d’énergie piézoélectrique s’est fortement appuyée a été présenté en 1954 [16].
On observe que le nombre de recherches relatives à la piézoélectricité semble s’être très fortement accru avec, pour la piézoélectricité en général, une progression constante à partir des années 90 et une stabilisation dans les années 2010. L’application de la piézoélectricité en électronique de puissance a commencé à se développer à partir du milieu des années 90, ce qui correspond à l’introduction sur le marché de convertisseurs piézoélectriques pour le rétroéclairage des écrans LCD. Aujourd’hui on dénombre un peu plus d’une cinquantaine de documents référencés sur Scopus® par année ce qui représente une petite communauté (on trouve à titre de comparaison un peu plus de sept mille articles référencés en électronique de puissance en 2018).
Les pays les plus actifs en termes de publications dans le domaine de la piézoélectricité sont les états unis la Chine et le Japon. La France est bien positionnée se situant à la sixième place mondiale.
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Table des matières
Introduction
1. Principes de conversion d’énergie
1.1 Conversion DC-DC à stockage magnétique
1.1.1 Convertisseur boost
1.1.2 Convertisseur buck-boost
1.1.3 Convertisseurs boost ZVS quasi résonnant
1.2 Convertisseurs piézoélectriques
1.2.1 Généralités sur la piézoélectricité
1.2.2 Convertisseur piézoélectrique en demi pont
1.2.3 Convertisseur piézoélectrique à stockage mécanique
1.2.4 Commande du transformateur piézoélectrique
Bilan chapitre 1
2. Convertisseur DC-DC piézoélectrique
2.1 Structure et fonctionnement
2.1.1 Principe de conversion et topologie de base
2.1.2 Étude analytique du mode élévateur
2.1.3 Mode abaisseur de tension
2.1.4 Modèle mécanique
2.2 Simulation de l’élévateur de tension pour étude en régime dynamique
2.2.1 Élaboration du modèle
2.2.2 Résultats
2.3 Résultats expérimentaux pour l’élévateur de tension
2.3.1 Présentation de la structure expérimentale
2.3.2 Résultats expérimentaux
2.3.3 Analyse et discussion
Bilan chapitre 2
3. Influence et dimensionnement du résonateur piézoélectrique
3.1 Influence des dimensions géométriques
3.1.1 Choix de la géométrie et du mode de résonnance
3.1.2 Étude théorique de l’influence des dimensions du résonateur
3.1.3 Comparaison expérimentale de cinq disques de tailles différentes
3.1.4 Puissance et Densité de puissance : étude aux limites
3.2 Dimensionnement du résonateur piézoélectrique
3.2.1 Cahier des charges
3.2.2 Méthodologie de dimensionnement
3.2.3 Exemples de dimensionnement
Bilan chapitre 3
4. Déclinaisons et perspectives
4.1 Généralisation V3 non nulle
4.1.1 Adaptation du modèle analytique
4.1.2 Influence de V3
4.2 Quelques déclinaisons de la topologie de base
4.2.1 Amélioration de la puissance transmissible
4.2.2 Ajout de fonctionnalités
4.3 Perspectives
4.3.1 Rendement, densité d’énergie et comparaison magnétique
4.3.2 Miniaturisation du convertisseur
Bilan chapitre 4
Conclusion Générale
