Convertisseurs DC/DC à base de MEMS

Afin d’éviter les difficultés liées à l’intégration de l’inductance et les limitations des convertisseurs à capacités commutées, il y a eu dans la littérature quelques tentatives [SAN2001] d’utiliser un condensateur variable mécaniquement afin de stocker l’énergie électrique sous forme électromécanique. L’importance de cette alternative réside dans le fait que la densité d’énergie sous forme de force élastique que l’on peut stocker dans le silicium contraint mécaniquement est 2 fois plus grande que celle que l’on peut stocker dans l’inductance sous forme électromagnétique [NOW1998]. D’un autre côté, son majeur avantage est que le condensateur variable qui remplace l’inductance est fabriqué par des procédés MEMS qui sont compatibles avec les techniques de micro fabrication sur silicium.

Cet approche est très peu abordée dans la littérature. Les rares configurations qui ont été étudiées peuvent être classées en deux catégories : les convertisseurs électromécaniques résonants [QUE2007], [NOW1992], [MOT2001] et les convertisseurs électromécaniques bistables [HAA2004], [HIL2006] (Boost ou à pompe de charge). Nous allons expliquer brièvement le principe de ces deux types de convertisseurs, puis présenter les résultats qui ont été obtenus et les limitations qui nous poussent vers la recherche d’une nouvelle approche de conversion toujours à base de MEMS. En notant que nos objectifs et nos applications visées sont assez éloignés de ceux que s’étaient fixés les personnes qui ont travaillé sur le sujet .

1.3.4.1.

Convertisseurs utilisant des dispositifs MEMS en mode

résonant

J. M. Noworolski et S. R. Sanders [NOW1998-a] de l’université de Berkeley, ont été les premiers à avoir abordé le principe de stocker l’énergie électrique sous forme mécanique dans des dispositifs MEMS pour la conversion de puissance. Ils ont étudié et réalisé le convertisseur résonant présenté sur la Figure 1.11.

Figure 1.11. Circuit « boost » micromécanique réalisé à l'université de Berkeley [NOW1998-a]

La conversion d’énergie se fait sur plusieurs cycles de « pompage » (charge et décharge du condensateur variable) suivis d’un cycle de « boost » durant lequel il y a transfert de l’énergie vers la sortie à travers la diode. L’énergie est stockée dans le dispositif MEMS (le condensateur

C2

S1

Vout

Vin S2 _u

variable) en commandant les interrupteurs S1 et S2 (Figure 1.12) de façon alternative sur plusieurs

cycles à la fréquence de résonance mécanique du dispositif. S1 est fermé et S2 est ouvert pour

apporter de l'énergie au condensateur variable, la capacité Cvar augmente pendant cette étape.

Lorsque Cvar atteint sa capacité maximale, S1 est ouvert et S2 est fermé pour décharger la capacité

et la laisser diminuer. En répétant plusieurs cycles de pompage à la fréquence de résonance, l’énergie mécanique s'accumule dans le dispositif jusqu’à ce que le déplacement de l’élément mobile, et par suite la variation de capacité, atteint sa valeur maximale. A la fin du nième cycle de pompage, lorsque la valeur de la capacité a atteint son maximum, les interrupteurs S1 et S2 sont

ouverts et la capacité décroit sous charge constante. La tension u à ses bornes augmente (u=Q/Cvar), et lorsqu’elle atteint la tension de sortie Vout, la diode conduit permettant le transfert

d’énergie vers la charge.

Figure 1.12. (a) et (b) Signaux de contrôle des interrupteurs S1 et S2, (c) Tension aux bornes de la

capacité MEMS. T1 et T2 sont des cycles de "pompage" et T3 est un cycle de "boost" [NOW1998-a]

Pour tester le convertisseur, un dispositif MEMS a été réalisé à l’aide du procédé SAMPSON (ce procédé est expliqué dans la référence [NOW1998-b]). Les interrupteurs et la diode dans le circuit de conversion sont réalisés par des composants discrets. Le facteur maximal d’élévation de tension qui a été obtenu est égal à 1.5, alors que les auteurs, espéraient théoriquement obtenir un facteur de 15, ils expliquaient cette limitation par les pertes dans les interrupteurs et la diode et ainsi que par la présence de capacités parasites associées au dispositif MEMS et au circuit électrique.

De plus, cette topologie de circuit de conversion ne permet que d’élever la tension, elle ne peut pas abaisser la tension. Un autre inconvénient de cette méthode de conversion concerne les pertes d’énergie durant les cycles de « pompage » dues à la décharge de la capacité à chaque cycle de pompage en fermant l’interrupteur S2, alors que l’énergie électrique dans la capacité est

maximale. Ces pertes contribuent à la diminution du rendement du convertisseur. (a)

(b)

31

1.3.4.2.

Convertisseurs utilisant des dispositifs MEMS en mode

bistable

Dans les convertisseurs bistables la variation du condensateur variable est imposée par un actionnement extérieur, la capacité passe de sa valeur maximale à sa valeur minimale et inversement. Ces convertisseurs ont été abordés uniquement en configuration « boost » puisque le but a été de fournir des tensions élevées sans contraintes fortes sur le rendement. Le principe est basé sur la relation réciproque entre la capacité et la tension d’un condensateur variable : sous charge constante, lorsque la capacité augmente, la tension à ses bornes diminue, et inversement lorsque la capacité diminue la tension augmente.

Figure 1.13. Principe de fonctionnement d'un convertisseur DC/DC bistable [HAA2004]

Ces convertisseurs ont été étudiés par Haas et Kraft à l’université de Southampton [HAA2004]. Le convertisseur proposé par ces chercheurs est constitué par un condensateur variable MEMS couplé mécaniquement à un micro actionneur électrostatique. Le condensateur est amené à sa valeur de capacité maximale Cmax à l’aide de l’actionneur puis chargé à Vin (voir Figure 1.13 a) en

fermant l’interrupteur S1. Afin de garder la charge constante, le condensateur est isolé en ouvrant

l’interrupteur d’entrée. Ensuite, les plaques du condensateur sont écartées à l’aide de l’actionneur, la valeur de la capacité diminue sous charge constante jusqu’à atteindre sa valeur minimale Cmin.

La tension aux bornes du condensateur augmente alors d’un facteur Cmax/Cmin. L’interrupteur de

sortie S2 est fermé pour transférer la haute tension à la sortie out

V

C

C

V

min max

=

des signaux utilisés pour commander les interrupteurs S1 et S2 et pour commander l’actionneur

Ces convertisseurs ont été conçus pour des applications très spécifiques où des tensions élevées sont exigées. Leur rendement est très faible, l’efficacité obtenue par simulation pour le convertisseur modélisé dans [HIL2006] est de 1.4%. Ils sont pour l’instant loin de répondre aux applications courantes qui nécessitent des rendements de conversion élevées (>80%). Par ailleurs, le système d’actionnement n’a pas été abordé alors qu’il reste un point très délicat.