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Intégration microélectronique de convertisseurs DC/DC piézoélectriques

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Département Architectures Conception et Logiciels Embarqués (LIST-LETI)

Laboratoire Intégration Gestion d?Energie Capteurs et Actionneurs

SL-DRT-20-0286

adrien.morel@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

L?objectif de cette thèse est d?étudier l?intégration en technologie microélectronique de convertisseurs d?énergie électrique de type continue-continue utilisant un transfert adiabatique dans un élément électromécanique à transduction piézoélectrique. Ce nouveau principe de conversion basé sur des résonateurs piézoélectriques assure une transduction d?énergie électrique-mécanique-électrique alternative aux techniques actuelles de transferts capacitif et/ou inductif tout en garantissant une large plage de rapport de conversion avec un rendement de conversion élevé. Récemment, le MIT a également pointé l?intérêt de ce nouveau type de convertisseur via un médium piézoélectrique pour améliorer la miniaturisation des alimentations [Boles19]. Les équipes du CEA-Léti sont pionniers sur cette thématique en publiant une première preuve de concept expérimentale [Pollet2019] à base d?électronique non-intégrée et d?un résonateur piézoélectrique massif. Dans une première phase, le travail vise la mise au point d?un étage de puissance et de son contrôle dans un circuit intégré autour d?un résonateur piézoélectrique dit massif (externe à la puce). Ce premier niveau d?intégration permettra de viser des transferts d?énergie plus fréquents et un niveau de synchronisation plus précis afin de réduire la taille de l?élément piézoélectrique non-intégré dans la puce. Afin de maintenir le processus adiabatique de transfert de charges par commutations douces, il est nécessaire notamment d?intégrer des capteurs de courants et de tensions performants et à basse consommation par rapport à la puissance du convertisseur. Il sera également étudié des modes de résonance alternatifs pour garantir une montée en fréquence et la déclinaison de grandes familles de convertisseurs (abaisseur, élévateur, isolation galvanique?). Un premier démonstrateur intégré dans la gamme du Watt et d?une surface sub-centimétrique est visé. Dans une deuxième phase, le doctorant étudiera la possibilité d?intégration du piézoélectrique en couche mince pour son intégration au plus proche de la puce de puissance. Sur la base des travaux sur les piézoélectriques menés dans les salles blanches du Léti, l?impact sur les performances électriques du convertisseur sera calculé. [Pollet2019] B. Pollet et al., A New Non-Isolated Low-Power Inductorless Piezoelectric DC?DC Converter, Trans. on Power Electronics, 2019. [Boles] J. D. Boles et al., Enumeration and analysis of dc-dc converter implementations based on piezoelectric resonators," Proc. IEEE Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, June 2019.

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