Principe de fonctionnement du convertisseur

Le principe de conversion DC/DC à base de MEMS consiste à utiliser un condensateur variable mécaniquement à la place d’une inductance pour stocker transitoirement l’énergie électrique. L’énergie électrique délivrée par la source d’entrée du convertisseur est stockée sous forme mécanique dans le condensateur variable, puis transférée vers la sortie sous forme électrique sous un niveau de tension différent de celui de l’entrée. Le principe est illustré en expliquant le fonctionnement d’une structure élémentaire d’abaisseur de tension, le schéma électrique est représenté sur la Figure 2.8.

Figure 2.8. Schéma préliminaire d’un abaisseur de tension à base de MEMS

Le condensateur variable est considéré à plaques parallèles, une plaque mobile suspendue à l’aide d’un ressort est capable de se déplacer de part et d’autre de sa position de repos en face d'une autre électrode fixe, l’espacement au repos entre les deux plaques est noté y0. Vs est la

tension que l’on doit obtenir à la sortie du convertisseur. La sortie en fonctionnement normal est une charge, mais nous l’avons représentée par une tension constante Vs plutôt que par une

charge, car l’objectif au final est de stabiliser la tension de sortie via une régulation de la puissance transférée vers celle-ci (la puissance transférée sera variable mais la tension sera fixe).

Ve Vs vmems ie(t) is(t) y Ks Ke y0

2.4.1. Etapes de fonctionnement

1. On considère que le régime permanent a déjà été établi, et que la capacité est à sa valeur minimale, l’électrode mobile est au maximum d’éloignement de l’électrode fixe. Le cycle de conversion commence en fermant l’interrupteur d’entrée Ke, la capacité variable Cvar est soumise à

une tension constante Ve, ce qui a pour effet

de créer une force électrostatique dirigée vers le bas. Cette force va entraîner le rapprochement de l’électrode mobile vers l’électrode fixe. Pendant cette étape la capacité augmente sous tension constante

y

S

C=ε

0 a . La capacité est inversement proportionnelle à l’espacement entre ses électrodes. A tension constante

Q=C

var

V

_e, l’augmentation de Cvar entraîne une

augmentation de la charge Q stockée dans le condensateur. Durant cette étape il y a apport de charges électriques et donc d’énergie à partir de l’entrée vers Cvar.

(a) étape sous tension constante Ve,

l’interrupteur Ke est fermé

2. Avant que l’électrode mobile atteigne la position de rapprochement maximal, l’interrupteur Ke est ouvert,

l’électrode mobile continue son déplacement grâce à son énergie cinétique non nulle. Durant cette étape, la capacité variable est isolée électriquement, elle est donc sous charge constante. L’augmentation de la capacité engendre une diminution de la tension vmems aux bornes de Cvar

(

v

_mems

=Q/ C

_var).

(b) étape sous charge constante, les deux interrupteurs sont ouverts

Ks Ke Ve Vs vmems Felec Fk Ve vmems Vs ie(t) Ke Ks Felec Fk

47 3. Au moment où vmems atteint le

niveau de la tension de sortie Vs (la

commande sera ajustée de façon que la vitesse de l’électrode mobile soit nulle à ce moment là), l’interrupteur de sortie Ks est

fermé. Cvar est alors sous tension constante

Vs, l’électrode mobile commence à s’éloigner

de l’électrode fixe sous l’effet de la force de rappel Fk vu qu’elle a atteint la position de

rapprochement maximal avec une vitesse nulle. La capacité diminue sous tension constante, la charge stockée dans la capacité variable diminue, il y a transfert des charges électriques de Cvar vers la sortie.

Durant cette étape, l’énergie électrique qui a été stockée dans Cvar durant l’étape « 1 » est

transférée en partie vers la sortie. L’interrupteur Ks est fermé lorsque la tension

vmems aux bornes de la capacité variable est

égale à la tension de sortie Vs, de cette

façon la tension aux bornes de l’interrupteur Ks est nulle au moment de sa fermeture,

cela revient à commuter l’interrupteur à zéro de tension sans pertes d’énergie par commutation.

(c) étape sous tension constante Vs,

l’interrupteur Ks est fermé

Ks Ke Ve Vs vmems Felec Fk is(t)

4. Avant que l’électrode mobile atteigne une vitesse nulle, l’interrupteur Ks

est ouvert, l’électrode mobile continue son éloignement de l’électrode fixe grâce à son énergie cinétique. La capacité diminue sous charge constante et la tension aux bornes de Cvar augmente

var

C

Q

v

_mems

=

. Au moment où elle atteint le niveau de la tension d’entrée Ve l’interrupteur Ke se ferme.

Comme pour l’interrupteur Ks, Ke est fermé

lorsque la différence de potentiel à ses bornes est nulle afin d’avoir des pertes de commutation nulles.

Figure 2.9. Schémas illustrant les étapes de fonctionnement

2.4.2. Fonctionnement à la résonance du MEMS

Le système électromécanique formant le condensateur variable est actionné à sa fréquence de résonance mécanique durant le fonctionnement du convertisseur. Cela constitue un point essentiel qui caractérise notre convertisseur à base de MEMS. Comme nous l’avons vu sur la Figure 2.5, l’excitation à la fréquence de résonance engendre une amplitude d’oscillation importante, donc une variation importante de capacité ce qui permet d’obtenir des rapports de conversion élevés.

Le contrôle du convertisseur se fait en agissant sur la fermeture et l’ouverture des interrupteurs de façon à assurer un mouvement oscillatoire de la plaque mobile à sa fréquence de résonance. Ici l’excitation n’est pas tout à fait une tension sinusoïdale, mais une succession de fonctionnement à tension et à charge constante, il y néanmoins création d’une composante fondamentale de l’effort exercé à la fréquence de résonance de la structure.

2.4.3. Commutation à zéro de tension

Un autre point essentiel, qui constitue l'avantage majeur de notre approche de conversion par rapport à ce qui a été abordé dans la littérature, est la commutation à zéro de tension. La technique de commutation à zéro de tension [LIU1990] [STR1994] a été largement utilisée dans les convertisseurs DC/DC conventionnels dans le but de pouvoir augmenter la fréquence de commutation sans augmenter drastiquement les pertes par commutation qui entraînent une chute de rendement.

Pour accomplir une commutation à zéro de tension, aucun circuit ou composant ne sera rajouté, c’est le contrôle des interrupteurs qui va permettre la commutation sans pertes. Un

Vs Ve vmems Ks Ke Felec Fk

49 interrupteur sera commandé à la fermeture uniquement lorsque la tension à ses bornes est nulle. L’implémentation du contrôle, qui assure une commutation à zéro de tension, est traitée dans le chapitre 3.

Dans le document Conception de convertisseurs DC/DC à base de MEMS (Page 46-50)