Etude d'un transformateur piézoélectrique à onde progressive et de son application aux convertisseurs de puissance

Study of a traveling-wave piezoelectric transformer and its application to power converters

• Auteur / Autrice : Thomas Martinez
• Direction : François Costa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Costa, Elie Lefeuvre, Frédéric Giraud, Dejan Vasic, François Pigache, Gaël Pillonnet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elie Lefeuvre, Frédéric Giraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tubes à ondes progressives

Piézoélectricité

Électronique de puissance

Mots clés libres

Électronique de puissance

Piézoélectricité

Transformateur piézoélectrique

Onde acoustique progressive

Power electronics

Piezoelectric transformer

Acoustic travelling wave

Résumé

Les transformateurs piézoélectriques présentent de nombreux intérêts en électronique de puissance par rapport aux transformateurs magnétiques : gains en tension élevé, forte densité de puissance, compacité, rendements élevés, forte isolation galvanique et faibles rayonnement électromagnétiques. Toutefois, les structures classiques sont basées sur la génération d’une onde stationnaire qui limite le nombre d’électrodes et de tensions disponibles en sortie. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle topologie de transformateur piézoélectrique qui utilise une onde progressive au lieu d’une onde stationnaire. Avec cette solution, il est possible d’obtenir un système polyphasé de tensions en sortie du transformateur ce qui rend possible plusieurs types de conversion (DC-DC, DC-AC à fréquence variable).Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau modèle analytique permettant de décrire le comportement du transformateur à partir de ses dimensions et des propriétés du matériau. Différents prototypes ont été développés pour valider le concept du transformateur et des séries de mesures ont permis de valider le modèle. Concernant les performances, un transformateur cylindrique basé sur une onde de volume a pu fournir un système quadriphasé avec une puissance maximale de 6 W et des rendements de 90%.Une autre approche visait à décrire le comportement d’un transformateur déjà réalisé par l’extraction de ses paramètres Y. A partir de cela, une représentation compatible avec les logiciels de simulation de type Spice a permis une simulation précise du transformateur et du convertisseur de puissance associé.Enfin, deux convertisseurs de puissances ont été conçus basés sur ce transformateur à onde progressive. Le premier est un convertisseur DC-DC basé sur un redresseur polyphasé pour l’alimentation de drivers isolés. Les différentes tensions disponibles à la sortie permettent l’alimentation de plusieurs drivers avec un seul transformateur. Le second convertisseur est un convertisseur DC-AC basé sur le principe d’un cycloconvertisseur. La recombinaison des phases à la sortie permet d’obtenir un signal AC.

Piezoelectric transformers propose several advantages over magnetic ones for power conversion : high voltage gain, compactness, high power density, high efficiency due to their high quality factor, strong galvanic isolation and low electro-magnetic emissions. However, in general, they are based on the generation of a standing wave that limits the number of electrodes at the surface of the transformer. In this PhD, we propose the use of a traveling wave instead of a standing wave. With this solution, it is possible to obtain a multi-phase system of voltages at the output which makes it suitable for different types of conversion (DC-DC, DC-AC with variable frequency).During this work, we developed a new analytical modelling of the transformer that describes its electrical behavior based on geometry and material properties. Different prototypes of TWPT were conceived to validate the concept and on which we perform measurements to validate the analytical modelling. Among them, cylinder-type TWTP based on longitudinal waves outputs a four-phase system with an output power of 6 W and efficiencies as high as 90%.A second approach developed consisted in the modelling of an already made transformer based on the experimental extraction of admittance parameters and its representation for simulation in Spice-type software. This approach allows for precise simulation of the transformer and the associated power converters.Finally, we designed two power converters based on this traveling wave piezoelectric transformers. The first one is a DC-DC converter that is based on a polyphase rectifier for isolated gate-drive power supply. The several phases available at the output allows for the generation of the supply for numerous drivers. The second one is a DC-AC converter similar to a matrix converter. The combination of the phases at the output of the TWPT allows for generation an AC signal at any frequency.