Piezoelectric Transformer Integration Possibility in High Power Density Applications

The contents of this work investigate the capability of integrating the PT in applications by invoking the ratio of the throughput power to volume represented by the term: power density. The fundamentals of the PT are introduced in chapter two. In chapter three, the fundamental limitations of the PT's capability of transferring power to the load are studied. There are three major limitations: temperature rise due to losses during operation, electromechanical limits of material, and interactions with output rectifier. The analysis and estimation are then verified by experiments and calculations implemented on three different PT samples fabricated from three different manufacturers. The subject of chapter four is the behavior of the PT's power amplifier. This chapter concentrates on two main amplifier topologies, optimized based on the simplicity of structure and minimization of components (passive and active): class D and class E amplifiers. The operational characteristics of these amplifiers with the PT are then comparison. Methods to track the optimum frequency and discontinuous working mode of the PT are proposed as the approaches to improve the energy transfer of the PT. In chapter five, prototypes of four devices using a PT are developed and introduced as illustrations of the integration of PTs into practical applications: an igniter for high intensity discharge (HID) lamps, high DC voltage power supplies, and electronic ballasts for LEDs, and stand-alone ionizers for food sterilizers. Some concluding statements and ideas for future works are located in the last chapter - chapter six

Caractérisation des matériaux piézoélectriques dédiés à la génération des décharges plasmas pour applications biomédicales

Les transformateurs piézoélectriques se positionnent aujourd’hui comme une alternativetechnologique séduisante face aux solutions classiquement utilisées pour la génération desplasmas froids. Leur haute permittivité, leur faible tension d’alimentation et leur capacité deminiaturisation en font une solution sérieuse et originale pour de nombreuses applications faiblespuissances, notamment dans le domaine biomédical pour la stérilisation, le traitement de surfaceet la décontami-nation des instruments médicaux. Dans le cadre d'un fonctionnement engénérateur plasma, la conversion électromécanique au sein du transformateur s’accompagne depertes mécaniques et diélectriques, souvent converties en chaleur. À ces effets s'ajoute l’influenceproprement dite de la décharge sur le comportement électrique du dispositif. L’évolutiondynamique et fortement non-linéaire de la décharge entraine un comportement méconnu desgrandeurs électriques. Par conséquent, l’étage d’alimentation du transformateur constitue un sujetd’étude au même titre que le transformateur lui-même. De plus, étant donné la configuration duprocessus de génération, qui positionne le matériau piézoélectrique comme source et siège de ladécharge plasma, il devient nécessaire d’analyser la viabilité du dispositif. L’ionisation du milieugazeux environnant le générateur provoque des effets électroniques complexes, susceptiblesd’entrainer des dépôts de matière à la surface du matériau ou d’en éroder la surface. C’est dansce cadre, à l’interface entre le génie électrique et la science des matériaux, que s’articule cettethèse. Une première partie est destinée au développement d’un outil de commande numérique dugénérateur par une boucle de verrouillage de phase, assurant sa continuité de fonctionnementface aux variations des conditions opératoires. Par la suite, une modélisation du générateurplasma dans des configurations proches des décharges à barrières diélectriques est effectuée ;des simulations permettent une estimation de la puissance de décharge à partir d’uneidentification expérimentale des paramètres du modèle. Dans un deuxième temps, nouscherchons à établir une corrélation entre la structure du matériau et ses propriétés électriques ens’appuyant sur une méthodologie de caractérisation multi-échelle, avant et après déchargeplasma. L'étude se focalise principalement sur l'évolution en surface de la structure cristalline et lacomposition chimique, en liaison avec les propriétés fonctionnelles du transformateur aprèsgénération de la décharge. Enfin, une étude en température porte sur l’investigation des effetsd’auto-échauffement du générateur dans ce mode de fonctionnemen