Introduction d'un nouveau convertisseur de fréquence utilisant des modes de vibrations piézoélectriques

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11009 (2023) Citer cet article

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La conversion de fréquence est nécessaire dans de nombreux domaines de technologie avancée. Des « circuits électriques » ou des « moteurs et générateurs couplés » sont généralement utilisés pour la conversion de fréquence. Cet article présente un nouveau convertisseur de fréquence piézoélectrique (PFC), utilisant une idée similaire aux transformateurs piézoélectriques (PT). Le PFC utilise deux disques piézoélectriques comme éléments d'entrée et de sortie qui sont rapprochés. Il y a une électrode commune entre ces deux éléments et deux électrodes d'entrée et de sortie sur les autres faces. Lorsque le disque d'entrée est forcé de vibrer en mode hors plan, le disque de sortie vibre en mode radial. En appliquant différentes fréquences d'entrée, différentes fréquences de sortie peuvent être obtenues. Cependant, les fréquences d'entrée et de sortie sont limitées aux modes hors plan et radial de l'élément piézoélectrique. Par conséquent, la taille appropriée des disques piézoélectriques doit être utilisée pour obtenir le gain nécessaire. La simulation et les expériences montrent que le mécanisme fonctionne comme prévu et que leurs résultats sont en bon accord. Pour le disque piézoélectrique choisi, le gain le plus faible augmente la fréquence de 61,9 à 118 kHz, et le gain le plus élevé augmente la fréquence de 3,7 à 51 kHz.

Les éléments piézoélectriques sont utilisés pour fabriquer des transformateurs de tension (PT) depuis quelques décennies. Les PT transmettent la tension via des vibrations mécaniques et l'augmentent ou la diminuent. Ces transformateurs sont généralement constitués de deux éléments piézoélectriques comme ports d'entrée et de sortie. Le disque piézoélectrique d'entrée est excité à la fréquence de résonance et la tension de sortie est obtenue à partir de l'élément de sortie. Le rapport souhaitable entre les tensions d’entrée et de sortie peut être obtenu avec une conception appropriée. Rosen a introduit le PT pour la première fois en 19541. Après cela, de nombreuses recherches ont été effectuées sur différents PT, notamment la géométrie, la modélisation et l'amélioration de l'efficacité.

Les PT sont classés en trois types principaux : Rosen, mode de vibration d'épaisseur et mode de vibration radiale. Dans le transformateur de type Rosen, la partie d'entrée est dans le sens longitudinal et la sortie est dans le sens de l'épaisseur, et ce type de PT est généralement utilisé comme transformateur élévateur de tension2. Les PT en mode vibration d'épaisseur ont été développés par NEC du Japon dans les années 1990. Les dispositifs à mode radial sont en forme de disque ou d'anneau et fonctionnent à une fréquence proche de la résonance radiale. Diverses dispositions pour le dispositif à mode radial ont été proposées, parmi lesquelles le transformateur à mode radial est probablement le plus connu3. Les transformateurs en mode radial conviennent aux convertisseurs ascendants et abaisseurs et ont été utilisés dans une large gamme d'applications, depuis les ballasts de lampes fluorescentes4 jusqu'aux alimentations pour ordinateurs portables5.

Le facteur de couplage qui correspond le plus à la vibration en mode radial est kp. Cela permet aux PT en mode radial d'atteindre une densité de puissance élevée. Les transformateurs en mode radial ont été proposés à des niveaux de puissance supérieurs à 100 W et devraient dépasser 200 W grâce à des développements ultérieurs6.

Les PT peuvent fonctionner dans de nombreux modes vibratoires possibles, chacun avec une fréquence différente. Cependant, chaque topologie PT possède un mode de vibration optimal qui permet un transfert d'énergie optimal. Le mode de vibration optimal pour un transformateur piézoélectrique est généralement celui qui présente le couplage électromécanique le plus élevé et la perte la plus faible7.

Parmi les avantages des PT par rapport aux transformateurs électromagnétiques figurent une densité de puissance plus élevée, l'absence de bruit électromagnétique, un rendement plus élevé en mode résonnant, la simplicité, la petite taille, l'ininflammabilité et un processus de fabrication plus simple. Étant donné que les PT fonctionnent à une fréquence de résonance élevée, les matériaux piézoélectriques doivent avoir en même temps un facteur de qualité mécanique élevé et une faible perte diélectrique8.

En 1992, Osamu et coll. introduit un nouveau type de PT multicouche composé de PbTiO3. Leur objectif était de l'utiliser pour commuter les alimentations. Le mode de vibration était dans l'épaisseur. Le circuit électromécanique équivalent a montré un rendement de plus de 90 %. Ils ont fabriqué l’appareil et l’ont évalué expérimentalement. Les résultats ont montré de faibles vibrations parasites ainsi que de bonnes caractéristiques de résonance à une fréquence de 2 MHz. De plus, le PT a produit une densité de puissance de 16 W/cm.s sans vibrations parasites. Enfin, ils ont fabriqué une alimentation à découpage de classe E haute puissance à l'aide de ce PT9.