Domaines d’usages, principes et structures des transformateurs piézoélectriques
Transformateurs piézoélectriques en électronique de puissance

1 - Domaines d’usages, principes et structures des transformateurs piézoélectriques

• 1.1 - Applications
  Figure 1 - a) Convertisseur DC/DC (20 V – 1 650 V – 2 W), densité de puissance 40 W/cm3 (doc. QorTech) et b) convertisseur DC-DC (28 V – 15 V – 10 W) pour applications spatiales (doc. CNES – STEEL-Electronique : TP multicouches en mode radial fonctionnant à fréquence fixe) Figure 2 - Dispositif PDD de génération de plasma froid pour du traitement de surface industriel (doc. Relyon Plasma, TDK company)
• 1.2 - Rappels
  Tableau 1
• 1.3 - Principes et structures
  Figure 3 - Exemple de structure de transformateur piézoélectrique Figure 4 - Structures usuelles de transformateurs piézoélectriques

2 - Modélisation

• 2.1 - Schéma électromécanique équivalent
  Figure 5 - Transducteur vibrant en mode d’épaisseur Figure 6 - Modèle équivalent d’un transducteur piézoélectrique Figure 7 - Schémas électriques complets Figure 8 - Association de deux transducteurs piézoélectriques pour constituer un transformateur, mode de vibration en λ, la vibration s’effectue selon l’axe x en épaisseur Figure 9 - Modèle du transformateur piézoélectrique complet (mode 33) Figure 10 - Schéma du transformateur piézoélectrique en mode 33 Figure 11 - Schéma avec regroupement des impédances de la branche motionnelle (transformation ΔY) Figure 12 - Schéma électrique à la résonance du transformateur piézoélectrique Figure 13 - Schéma équivalent électrique simplifié
• 2.2 - Identification des éléments du schéma
  Figure 14 - Identification des éléments du schéma électromécanique équivalent Tableau 2

3 - Analyse des caractéristiques électriques

• 3.1 - Fonctions de transfert des grandeurs caractéristiques
  Tableau 3
• 3.2 - Influence de la fréquence
  Figure 15 - Évolution fréquentielle du gain, de la puissance et du rendement
• 3.3 - Influence de la charge
  Figure 16 - Variation de la pulsation de résonance en fonction de la charge Figure 17 - Évolutions du gain, de la puissance et du rendement en fonction du niveau de charge
• 3.4 - Limites d’utilisation

4 - Transformateurs à ondes progressives

• 4.1 - Principe des transformateurs à ondes progressives
  Figure 18 - Représentation d’une onde progressive
• 4.2 - Structure des transformateurs piézoélectriques à onde progressive
  Figure 19 - Mode de flexion Figure 20 - Mode longitudinal Figure 21 - Système quadriphasé Figure 22 - Système octophasé Figure 23 - Transformateur à onde de flexion Figure 24 - Comportement du transformateur en fonction de la fréquence Figure 25 - Performances du transformateur
• 4.3 - Applications des transformateurs piézoélectriques à onde progressive
  Figure 26 - Principe du cycloconvertisseur Figure 27 - Structure du cycloconvertisseur Figure 28 - Formes d’onde de sortie du cycloconvertisseur Figure 29 - Alimentation à plusieurs sorties

5 - Mise en œuvre dans les convertisseurs statiques

• 5.1 - Spécificités des convertisseurs statiques à transformateurs piézoélectriques
• 5.2 - Famille de structures et régimes de commande
  Figure 30 - Convertisseur DC-DC isolé par transformateur piézoélectrique et son modèle équivalent Figure 31 - Formes d’ondes caractéristiques dans le convertisseur fonctionnant en mode ZVS Figure 32 - Caractéristique de sortie réduite du convertisseur, … Figure 33 - Structure en mode ZVS avec inductance en parallèle Figure 34 - Structure à deux bras de pont Figure 35 - Structures en mode ZVS avec inductance en parallèle et champ actif Figure 36 - Structure en mode ZVS avec inductance en série et mono-interrupteur Figure 37 - Structure en mode ZVS avec inductance en série et push-pull en courant Figure 38 - Structure à charge modifiée par une inductance en série Figure 39 - Structure en pont complet avec inductance série Figure 40 - Courants de mode commun dans une structure à inductance série Figure 41 - Redresseur doubleur de tension Figure 42 - Variantes du redresseur doubleur sans composante DC aux bornes du TP Figure 43 - Redresseur multiplieur de tension
• 5.3 - Principe de commande
  Figure 44 - Synoptique de commande d’un convertisseur à asservissement de fréquence et de tension de sortie Tableau 4

6 - Conclusion