Ces minuscules convertisseurs d’énergie fonctionnent grâce à l’énergie vibratoire

L’innovation en matière de conversion d’énergie prend une nouvelle dimension avec la récente collaboration entre des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego et du CEA-Leti. Ensemble, ils ont conçu un convertisseur DC-DC basé sur la technologie piézoélectrique, qui pourrait bien redéfinir l’efficacité et la taille des composants électroniques dans une multitude d’applications. 

Les scientifiques de l’Université de Californie à San Diego et du CEA-Leti ont mis au point un convertisseur DC-DC basé sur la technologie piézoélectrique, qui concentre tous les commutateurs de puissance sur une seule puce. La nouvelle topologie de puissance, qui s’étend au-delà des configurations existantes, combine les avantages des convertisseurs piézoélectriques avec ceux des convertisseurs DC-DC à base capacitive.

Les convertisseurs de puissance développés par l’équipe sont nettement plus compacts que les inducteurs volumineux habituellement utilisés pour cette fonction. Les dispositifs pourraient à terme être utilisés pour tout type de conversion DC-DC, que ce soit dans les smartphones, les ordinateurs, les fermes de serveurs ou encore les casques de réalité augmentée et virtuelle.

Les résultats ont été présentés dans l’article intitulé « An Integrated Dual-side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction » à l’ISSCC 2024 à San Francisco. L’article souligne que le Résonateur Piézoélectrique en Série/Parallèle à Double Face (DSPPR) est le premier circuit intégré utilisé pour la conversion de puissance basée sur la résonance piézoélectrique, et permet de réduire les pertes jusqu’à 310% par rapport aux conceptions discrètes antérieures.

« Cette approche innovante améliore les performances, en particulier pour les faibles rapports de conversion de tension, un domaine où les travaux antérieurs avaient du mal à maintenir à la fois une haute efficacité et une utilisation optimale des matériaux piézoélectriques », a déclaré Patrick Mercier, professeur au Département de Génie Électrique et Informatique de l’UC San Diego et co-auteur de l’étude.

Le convertisseur hybride DSPPR tire parti de la capacité des circuits intégrés à offrir des étages de puissance sophistiqués sur une petite surface par rapport aux conceptions discrètes, et permet un fonctionnement efficace de l’appareil à des rapports de conversion de tension (VCR) inférieurs à 0,1. « Le circuit intégré offre une opportunité distincte de consolider tous les commutateurs de puissance sur une seule puce, réduisant considérablement l’empreinte sur le circuit imprimé et améliorant la précision du contrôle de phase », a indiqué Gael Pillonnet, directeur scientifique de la Division Composant Silicium du CEA-Leti.

L’intégration supplémentaire d’étages de convertisseurs à base capacitive, à la fois avant et après le convertisseur DC-DC piézoélectrique, contribue à l’amélioration des performances. « Cette intégration stratégique réduit la demande en matériaux piézoélectriques, résultant en un convertisseur plus compact avec un volume total notablement réduit. L’augmentation marginale en capacités supplémentaires, qui est inférieure à 10 pour cent, est négligeable par rapport aux gains substantiels facilités par la topologie proposée », a précisé Pillonnet.

« Le convertisseur DC-DC, en particulier dans la gamme de faible VCR qui était l’objet de notre travail, a des applications étendues dans divers secteurs, tels que les serveurs informatiques de haute puissance, les systèmes automobiles, les chargeurs USB et les appareils alimentés par batterie », a déclaré Wen-Chin Brian Liu, doctorant dans le groupe de recherche de Mercier et auteur principal de l’article.

Photographie de la matrice du convertisseur piézoélectrique proposé. Crédit : Université de Californie à San Diego

Article : « Numerical thermalization in 2D PIC simulations: Practical estimates for low-temperature plasma simulations » – DOI: 10.1063/5.0180421