Le circuit Flyback à décharge synchrone est choisi pour ses qualités de facilité de commande et d’optimisation ainsi que pour son efficacité de conversion pour des rapports de tensions faibles. Les simulations numériques réalisées prévoient un rendement maximal d’environ 83% pour un circuit Fly- back possédant un faible couplage et un faible facteur de qualité. Il est intéressant à partir de rapports de tensions de 1
17, soit une tension piézoélectrique maximale Vpi d’environ 50 V pour Es = 3 V. Le chapitre 6 dimensionne et caractérise les composants du circuit Flyback utilisés dans ce travail et propose une étude quasi-exhaustive de ses pertes.
Chapitre 6
Le circuit Flyback à décharge synchrone
Résumé : ce chapitre compare deux variantes de Flyback à décharge synchrone per- tinentes. Le "Flyback Diode Rectifier " et "Flyback Body-Diode" sont comparés vis à vis des modifications qu’ils imposent sur la tension piézoélectrique et donc sur l’énergie ré- cupérable. Deux inductances-couplées sont proposées pour mettre en œuvre ces deux circuits. Une liste quasi exhaustive des pertes subies lors de la décharge synchrone est réalisée. L’inductance-couplée du commerce sélectionnée permet d’obtenir un rendement intéressant avec un volume de composant magnétique faible (126 mm3).
6.1 Le Flyback à décharge synchrone et ses deux variantes
6.1.1 Présentation des deux variantes
Deux variantes du circuit Flyback à décharge synchrone sont utilisées dans ce travail. Leurs carac- téristiques sont détaillées ci-dessous et les schémas correspondants sont disponibles figure 6.1.
(a) (b)
Figure6.1:(a) Flyback Diode-Rectifier et (b) Flyback Body-Diode
• La première variante, nommée Flyback Diode-Rectifier (FDR) est illustrée en figure 6.1(a). Ce schéma correspond à l’implémentation classique de la technique SECE : il utilise un pont de diodes devant le Flyback, permettant de redresser le signal piézoélectrique. L’application de la technique SECE a lieu à chaque maximum de tension piézoélectrique, c’est à dire deux fois par période dans le cas d’une excitation mécanique sinusoïdale.
• La deuxième variante, nommée Flyback Body-Diode (FBD) et illustrée en figure 6.1(b) élimine le pont de diodes. Lorsque la tension du récupérateur est négative et que le transistor Kp est
bloqué, le récupérateur s’"auto-polarise" par le biais de sa diode antiparallèle ou "diode body" (en rouge sur la figure 6.1(b)).
6.1.2 Comparaison sans décharge
La figure 6.2 montre des mesures réalisées pour les deux variantes exposées précédemment, à contrainte mécanique identique et sans l’application de la technique SECE (le transistor Kp est laissé
54 CHAPITRE 6. LE CIRCUIT FLYBACK À DÉCHARGE SYNCHRONE
constamment bloqué). On y constate l’effet de la diode antiparallèle de Kp (variante Flyback Body-
Diode) : une composante de tension continue est imposée au récupérateur piézoélectrique.
Figure6.2:tensions piézoélectriques mesurées pour les deux variantes de Flyback sans commande
(Kpreste bloqué). Cp= 20 nF, fmeca = 1,7 Hz
Dans le cas d’une tension crête Vpo sinusoïdale, la Flyback Body-Diode ne montre plus qu’un seul maximum de tension, décalé d’environ Vpo
2 . Ce même principe est utilisé par
[Ramadass et Chandrakasan, 2010] devant un convertisseur DC/DC afin de limiter l’effet du seuil des diodes du pont pour les récupérateurs dont la tension de sortie est faible. Dans notre cas de figure, la technique d’extraction est différente puisqu’elle met en œuvre une décharge synchrone.
6.1.3 Comparaison en appliquant la technique SECE
La figure 6.3 montre des mesures de la tension vpsans technique SECE, puis avec l’application de la
technique SECE pour les deux variantes de Flyback, à fréquence et amplitude d’excitation mécanique identiques.
Figure6.3:tensions piézoélectriques mesurées, sans, puis avec l’application de la technique SECE,
pour les variantes Flyback Diode-Rectifier et Flyback Body-Diode. Déplacement d’amplitude non
imposée et sinusoïdal, Cp= 20 nF, fmeca = 4 Hz, Rsonde= 10 MΩ)
• La décharge synchrone appliquée au Flyback Body-Diode n’augmente pas la tension vp (les ten-
sions maximales V′
p0 et V
′
6.1. LE FLYBACK À DÉCHARGE SYNCHRONE ET SES DEUX VARIANTES 55
son maximum, sa tension ne peut pas s’inverser, ce dernier étant court-circuité par la diode antiparallèle de Kp
• Le fait d’appliquer la technique SECE à la variante Flyback Diode-Rectifier augmente la tension vp(Vp0 < Vpi). Cependant, cette augmentation de tension n’est pas parfaite puisque cette dernière n’est pas doublée (Vpi est attendue à ± 80 V).
6.1.4 Interprétation
On constate que les deux variantes subissent une remontée de la tension vp juste après la décharge
du récupérateur. Ce phénomène "de bosse" nuit à l’efficacité de la technique SECE puisque le gain affiché (un facteur 4 comparé à la technique standard) ne peut pas être atteint. Cela s’explique par les conditions d’excitations mécaniques des récupérateurs : le dispositif de contrainte mécanique utilisé dans ce travail (voir section 7.3 page 74) impose l’amplitude de la force et non l’amplitude du dépla- cement de la structure. La décharge au maximum de déplacement a donc pour effet de déformer le récupérateur (sa raideur change) dans le même sens de déplacement que celui précédant la décharge, faisant ainsi augmenter la tension. La figure 6.4 montre le déplacement du récupérateur lorsqu’une décharge au maximum de déplacement est appliquée.
Ce phénomène "de bosse" est particulièrement observé lorsque le récupérateur est excité à de très basses fréquences mécaniques (1 Hz-10 Hz) car l’amplitude de la force appliquée est encore à son maximum juste après la décharge et non sur une pente décroissante.
Figure6.4:déplacement en bout de poutre du récupérateur piézoélectrique (buzzer), excité par le
dispositif décrit en 7.3, sans, et avec l’application d’une décharge à l’un de ses maximas de tension.
fmeca= 1 Hz.
En considérant les gains en tension β et γ pour la variante Flyback Diode-Rectifier et Flyback Body-Diode respectivement, l’emploi du Flyback Diode-Rectifier est intéressante si :
(γ · Vpo) 2 < 2(β · Vpo) 2 ⇒ β > √γ 2 (6.1)
En faisant l’hypothèse que la variante Flyback Body-Diode double la tension piézoélectrique (γ = 2), le Flyback Diode-Rectifier offre une énergie récupérable en entrée du Flyback plus importante à partir d’un gain en tension β d’environ 1,4.
56 CHAPITRE 6. LE CIRCUIT FLYBACK À DÉCHARGE SYNCHRONE
Récapitulatif et conclusion
Les avantages et les inconvénients des deux variantes sont donnés dans le tableau 6.1.
Table 6.1: comparaison des variantes Flyback Diode Rectifier et Flyback Body-Diode du circuit
Flyback
Circuit Avantages Inconvénients
Flyback "Diode-Rectifier"
Extraction optimisée de l’énergie (×4 comparé à la technique standard)
Encombrement, en pratique : imperfection du gain en tension Flyback
"Body-Diode"
Encombrement (pas de pont de diodes), une seule décharge par période mécanique
⇒ circuit de commande moins consommateur
Énergie récupérable théorique divisée par 2 comparée à Flyback "Diode-Rectifier",
quantité d’énergie plus importante à stocker dans Lp
Avec un effort de commande moins important et un nombre de composants électroniques réduit, le Flyback Body-Diode garantit une augmentation de tension de deux, mais sur une seule alternance. Le Flyback Diode-Rectifier est donc potentiellement plus avantageux du point de vue de l’énergie récupérable puisqu’il double théoriquement la tension sur les deux alternances redressées. Néanmoins les deux variantes de Flyback à décharge synchrone sont pertinentes pour notre application et seront évaluées par la suite.
Après avoir investigué le Flyback et ses conséquences sur l’énergie récupérable et sur l’efficacité de la technique SECE, nous proposons de focaliser la suite de notre étude sur la décharge du récupérateur. En effet, cette courte période impacte fortement le rendement du transfert entre la capacité Cp et
l’élément de stockage Es.