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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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Analyse des caractéristiques électriquesArticle inclus dans l'offre
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2. Modélisation
2.1 Schéma électromécanique équivalent
De façon classique, l’analyse théorique du comportement électromécanique d’un transducteur piézoélectrique repose sur la définition d’un modèle unidimensionnel qui permet d’établir un schéma électromécanique équivalent sous la forme d’un hexapôle comprenant un accès électrique et deux accès mécaniques (figure 5) [17] [4]. Cette démarche repose sur un certain nombre d’hypothèses simplicatrices comme par exemple la séparation des modes de couplage, un fonctionnement en régime linéaire, des conditions d’interface parfaites, etc. Il s’agit donc d’une approche idéalisée qui, cependant, permet de bien rendre compte du comportement électromécanique global du transformateur et, par suite, de comprendre l’influence des grandeurs caractéristiques dimensionnantes.
Ainsi, on considère un transformateur piézoélectrique comme étant l’association de deux transducteurs piézoélectriques distincts (figure 6 b ), correspondant au primaire et au secondaire, liés mécaniquement de façon rigide. Après simplification, pour un fonctionnement autour d’un mode de résonance, on obtient le schéma de la figure 6 c faisant apparaître une branche mécanique (ou motionnelle) et deux branches électriques (ou statiques).
Les admittances
rendent compte des propriétés purement diélectriques du transformateur, C 1 et C 2 désignant les capacités vues du primaire et du secondaire à l’état bloqué
...
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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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