Les circuits actifs

Les circuits actifs de gestion de puissance sont capables d’analyser et s’adapter au signal incident. Ils ont été conçus pour permettre un meilleur rendement de récupération par rapport aux circuits passifs. A la différence de ces derniers, ils ont besoin d’être alimentés pour fonctionner.

3.4.2.1 Les techniques SSH

Plusieurs techniques actives de récupération ont pu être mises en place et sont décrites dans la littérature. Parmi elles on compte les techniques de type SSH, de l’expression anglaise « Synchronized Switch Harvesting ». Leur principe de fonctionnement repose sur la fermeture d’un interrupteur au moment où le piézoélectrique fournit un maximum ou un minimum de tension. On distingue les techniques SSHI et SECE. L’abréviation SSHI provient de « Synchronized Switch Harvesting on Inductor ». Cette technique se décline en deux méthodes: série et parallèle (Figure 3.31). Dans les deux cas un interrupteur et une bobine sont branchés au piézoélectrique en série ou en parallèle respectivement. En mode pulsé la technique SSHI parallèle se montre plus efficace [19].

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L’interrupteur mis en parallèle avec le piézoélectrique ferme à chaque fois qu’un maximum ou minimum de tension est détecté. Le piézoélectrique est ainsi mis en contact avec l’inductance et un circuit LC se forme. Une oscillation de charge est induite. Après un temps correspondant à la moitié d’une période d’oscillation la tension sur le piézoélectrique s’inverse. L’interrupteur est à nouveau ouvert à ce moment. Un tel traitement du signal provenant du piézoélectrique permet d’augmenter la tension en sortie et donc de mieux extraire l’énergie.

Figure 3.31: Schémas des circuits de conversion de l’énergie : a) technique SSHI série ; b) technique SSHI parallèle.

Un exemple d’évolution des énergies mises en jeu pendant la récupération avec un circuit SSHI parallèle est donné dans la Figure 3.32. Par rapport au cas d’un circuit passif à pont de diodes le rendement de récupération est bien plus important. Une nouvelle composante apparaît dans le diagramme des énergies. Elle correspond aux pertes dans le circuit d’inversion.

Figure 3.32: Evolution temporelle des énergies pendant la récupération avec un circuit SSHI parallèle, pour un piézoélectrique à K_e2Q_m = 2.3 [57].

Le rendement de conversion en régime pulsé en fonction du produit Ke 2

Qm et de la capacité de stockage est donné dans la Figure 3.33. Il peut dépasser 70% pour Ke

2

Qm= 6, comparé à 45% pour le circuit passif à pont de diodes. La différence la plus grande peut être observée pour des Ke

2

Qm faibles, avec un rapport de 2 entre les deux techniques facilement atteignable.

Une autre technique de récupération est la SECE, de l’anglais « Synchronous Electric Charge Extraction ». Le principe de fonctionnement repose sur le couplage du piézoélectrique à un pont de diodes suivi d’un transformateur relié à un transistor (Figure 3.34) [19]. Le transistor (T) est à l’état bloqué la plupart du temps. Au moment où la tension du piézoélectrique passe par un maximum ou un minimum, le transistor devient passant et permet le passage de courant et d’énergie entre le piézoélectrique et le transformateur. Quand la tension aux bornes du piézoélectrique devient nulle, le transistor passe à nouveau à l’état bloqué.

L’avantage dans ce type de circuit consiste dans le fait que la puissance récupérée n’est pas censée dépendre des caractéristiques de l’élément de stockage utilisé.

Figure 3.33: Rendement de conversion en régime pulsé en fonction du produit Ke²Qm et du rapport entre la capacité de stockage est celle du piézoélectrique pour la technique SSHI parallèle.

Figure 3.34: Circuit pour la technique SECE. Le piézoélectrique transmet son énergie au transformateur L, commandé par le transistor T [19].

3.4.2.2 Le circuit dédié de STMicroelectronics

Une technique de récupération similaire au SECE a été développée par STMicroelectronics. Le principe de fonctionnement ainsi que le circuit d’origine sont décrits dans [58]. La conversion repose sur le transfert de l’énergie stockée sur le piézoélectrique à une bobine qui fait ultérieurement le transfert vers un condensateur ou autre élément de stockage. Dans la version générique la circulation du courant dans le circuit est commandée à l’aide de trois interrupteurs pour une récupération demi-onde (Figure 3.35). Le piézoélectrique est branché en parallèle à un interrupteur S1. Dans le schéma présenté ici le piézoélectrique est réduit à un générateur de tension alternatif en série avec la capacité Cpiezo. La tension générée Vin est proportionnelle à la déformation du piézoélectrique. C’est la tension qu’on mesurerait en circuit ouvert. Lors de son oscillation le piézoélectrique génère des maxima de tension Vpiezo, qui sont décelés par un détecteur de pics. Une fois un pic détecté, la fermeture de l’interrupteur S2 est commandée, ce qui permet l’établissement d’un courant à travers la bobine L. Les autres interrupteurs sont ouverts à cette étape, tout comme la plupart du temps. Les charges qui circulent neutralisent le piézoélectrique. L’énergie électrostatique présente sur le piézoélectrique est ainsi transférée à la bobine. Cet état est détecté par le comparateur à la masse, après quoi l’interrupteur S2 passe à l’état ouvert et les interrupteurs S1 et S3 ferment. Ceci permet de mettre la bobine L en parallèle avec le condensateur de stockage Csto. Elle lui transfère son énergie et une charge électrique est stockée. Quand le courant à travers la bobine devient nul, toute l’énergie est transférée et l’interrupteur S ouvre. L’interrupteur S reste fermé et le piézoélectrique continue sa course en

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circuit pour atteindre un maximum de déformation de signé opposé. A partir de cet instant l’interrupteur ouvre et le piézoélectrique peut accumuler de l’énergie électrique jusqu’à ce qu’il atteint un nouveau pic de tension. Le cycle de récupération de l’énergie est ainsi accompli.

Figure 3.35: Circuit dédié de STMicroelectronics

L’avantage de ce circuit de gestion de puissance consiste dans le fait qu’à chaque cycle toute l’énergie électrostatique présente sur le piézoélectrique peut être transférée à l’élément de stockage, tout comme pour la technique SECE. Quelques étapes d’optimisation par rapport au schéma d’origine ont été implémentées pour augmenter la performance du circuit. Ainsi, les interrupteurs S1 et S3 ont été remplacés convenablement par des diodes. Ceci permet d’éviter les dépenses d’énergie nécessaires à leur contrôle et aussi d’avoir un démarrage à tension nulle sur la capacité de stockage. En effet, la partie active du circuit ne démarre que si elle peut être alimentée par le condensateur.

Deux versions du circuit ont pu être utilisées avec des prototypes: à redressement simple et double alternance (Figure 3.36). Dans les deux cas la partie active est intégrée sur silicium, en technologie BCD6, alors que les diodes, la bobine et le condensateur de stockage sont discrets. La rectification double alternance est faite avec un pont actif. Les deux circuits s’alimentent à partir du condensateur de stockage et ont une consommation de l’ordre de quelques centaines de nano ampères. Ils démarrent pour une tension sur le condensateur autour de 1V.

Figure 3.36 : Circuits de gestion de la puissance : a) circuit à rectification simple alternance ; b) circuit à rectification double alternance.