Convertisseurs DC-DC piézoélectrique avec stockage provisoire d’énergie sous forme mécanique

Les convertisseurs de puissance sont de plus en plus utilisés, notamment avec l’explosion des objets nomades/connectés, certes de faibles puissance (<100 W), mais où les contraintes de volume, d’épaisseur ou de rendement sont forte. Dans ce contexte, l’utilisation des matériaux piézoélectriques constitue une excellente alternative aux convertisseurs à base d’inductances. Ces matériaux possèdent en effet de nombreux avantages comme des densités de puissances élevées, une géométrie fine et plane et sont notamment plus faciles à intégrer comparé aux inductances magnétiques classiquement utilisées. Un nouveau type de convertisseurs piézoélectrique, sans inductance, est présenté dans lequel le résonateur piézoélectrique assure une fonction de stockage d’énergie. À chaque période de résonance, le résonateur piézoélectrique prélève de l’énergie à la source d’entrée, la stocke provisoirement sous forme mécanique et la redistribue à la charge permettant ainsi la conversion de puissance. Des commutations à zéros de tension sont également garanties pour assurer des rendements élevées à fréquences élevées. Une première topologie (chapitre 2 et 3) intégrant ces principes est présentée. Un modèle analytique incluant les pertes mécaniques décrivant le comportement du convertisseur ainsi qu’un modèle de simulation sont élaborés. Le concept est validé expérimentalement et l’on obtient des rendements très élevés (jusqu’à 98%) sur une grande plage de puissance (de quelques mW à 1,8 W) pour plusieurs gains en tension (1,5 à 3). L’étude de cinq résonateurs de dimensions différentes renseigne sur l’influence de la géométrie sur les performances des convertisseurs et permet de concevoir une méthodologie de dimensionnement de ce résonateur. D’autres topologies plus complexes (chapitre 4) sont explorées et des perspectives d’améliorations et de mises sur le marché sont présentées.