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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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VERSIONS
- Version courante de déc. 2024 par François COSTA, Dejan VASIC
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3. Analyse des caractéristiques électriques
3.1 Fonctions de transfert des grandeurs caractéristiques
L’analyse comportementale du transformateur est réalisée à partir du schéma électromécanique équivalent de la figure 6 d . Les grandeurs caractéristiques telles que le gain en tension G, la puissance de sortie normalisée
et le rendement η sont étudiées en fonction de la fréquence d’alimentation et de la résistance de charge placée au secondaire, pour un niveau de tension au primaire V 1 fixé.
Afin de faciliter l’étude et présenter l’ensemble des résultats sous forme normalisée, il est judicieux d’introduire, comme l’a proposé Ivensky [8] de nouvelles variables traduisant l’état de charge du transformateur et la qualité de conversion. Les expressions de ces variables sont données dans le tableau 4. La pulsation de résonance série ω S représente la pulsation de résonance de la branche motionnelle, lorsque le secondaire est court-circuité. La pulsation de résonance parallèle ω P représente quant à elle, la pulsation de résonance de la branche motionnelle, lorsque le secondaire est en circuit ouvert. En fonctionnement en charge variable, la pulsation de résonance ω R sera donc comprise entre ces deux valeurs. Le facteur de qualité électrique Q (ou facteur de surtension électrique) retranscrit l’état de charge du transformateur. Le facteur de qualité mécanique Qm caractérise les pertes mécaniques. Enfin, le rapport des capacités c caractérise la fraction d’énergie mécanique convertible en énergie électrique au secondaire. En effet, on peut montrer qu’il est inversement proportionnel au coefficient de couplage électromécanique effectif au carré lié au secondaire.
Ainsi, l’analyse du circuit de la figure ...
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Analyse des caractéristiques électriques
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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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