Design and implementation of piezoelectric technology based power devices
Conception et mise en oeuvre de dispositifs de puissance utilisant des matériaux piézoélectriques
Résumé
In this dissertation, piezoelectric materials were adopted in various power devices, and were further developed more specifically to power converters. The main purpose of this dissertation is to use piezoelectric transformer to replace the conventional electromagnetic transformer in power converters. A piezoelectric transformer based converter may reduce the electromagnetic interferences (EMI), the thickness ofthe converters and may increase the power density of the converter. Cold cathode fluorescent lamp (CCFL) based inverters, DC/DC converters and optimization of the piezoelectric layer fed rectifiers are the three main parts in this dissertation. Previous researches used the concept of the optimal loading condition as the major design parameter. However, practical power converters require regulating output current or voltage. Considering the power converters with current or voltage regulation, the concept of the optimal loading condition is no longer suitable to be the major design parameter. In this dissertation, the vibration velocity was adopted as the major design parameter, which makes the design procedure of piezoelectric transformers easier and clearer compared to the usual design rule. The proposed design procedure can predict the temperature rise as well as the losses of the piezoelectric transformers clearly. Both cold cathode fluorescent lamp based inverters and DC/DC converters can be designed to fit the requirements and the specifications well by the proposed design procedure. A 32 inches LCDTV inverter and a lOWatt step-down DC/DC converter were developed successfully, based on the design procedure detailed in this thesis. In addition, although the piezoelectric transformer itself does not radiate EMI , it still remains the conducted EMI problem. Due to the effect of parasitic capacitors and to the specific effect of the rectifier connected to the piezoelectric transformers, the EMI behaviour of the piezoelectric transformer based converter is quite different from typical converters. The model and analysis of the conducted EMI were studied and detailed in this dissertation. On the other hand, a piezoelectric layer fed rectifier is a non-linear device, which is not easy to analyze in general. The concept of work cycle analysis was proposed to simplify the analysis and the design procedure. Based on these work cycle analysis, a new concept of velocity controlled piezoelectric layer fed rectifier was proposed to optimize the energy flow out of the piezoelectric layer. This technique, also presented herein, was applied successfully to the structural damping.
Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour la réalisation de composants passifs dans des applications de conversion d'énergie électrique. Le travail débute avec l'étude et le dimensionnement de deux convertisseurs d 'une puissance de 10 watt intégrant un transformateur piézoélectrique, l'un pour des applications d'alimentation stabilisée de 15 V (convertisseur DC/DC) et l'autre servant a l'alimentation de lampes fluorescentes a cathode froide utilisées pour le retro-éclairage d'écrans TFT de 32 pouces. L'idée étant que le transformateur piézoélectrique présente, dans ces applications, un certain nombre d'avantages compare au transformateur électromagnétique, comme une plus grande compacité et une meilleure compatibilité électromagnétique. L'originalité du travail repose sur la méthode de dimensionnement du transformateur qui n'est plus base sur Le principe de charge optimale mais qui introduit la notion de courant mécanique ou de vitesse maximale de vibration. Cette technique permet également de prédire l'élévation de température ainsi que les pertes du transformateur. On s'intéresse ensuite a l'optimisation et a la gestion de l'énergie au sein du transformateur piézoélectrique. La commutation introduisant des non-linéarités dans son fonctionnement, Le concept de cycle de travail a été introduit permettant une étude et des comparaisons des différentes architectures de conversion. Cela a permis la mise au point d'un nouveau redresseur contr6le par la vitesse de vibration. Ce redresseur actif a été transpose avec succès dans des applications d'amortissement de structure ou encore de récupération d'énergie de vibration.