Brevet FR2877145A1 — publié le 20060428

TRANSFORMATEUR PIEZOELECTRIQUE COMPOSITE A TRES HAUTE ISOLATION ET TRES FAIBLE COUPLAGE ENTRE SECONDAIRE ET PRIMAIRE La présente invention concerne un transformateur piézoélectrique composite du type à onde stationnaire longitudinale (ou onde de Lamb symétrique ou onde de Lamb antisymétrique) et comportant: É un élément piezoélectrique ( céramique massive ou monocristal piézoélectrique ou multicouches piezoélectrique) appelé primaire É un élément isolant de découplage de grandes dimensions mais permettant la propagation des ondes acoustiques par suite de son facteur de surtension mécanique élevé É un élément piezoélectrique (céramique massive ou monocristal piézoélectrique ou multicouches piezoélectrique) appelé secondaire. Les transformateurs piézoélectriques sont aujourd'hui bien connus: Leurs principaux avantages sont leurs possibilités de miniaturisation,un rendement élevé et de ne pas générer de bruit électromagnétique.On citera à titre d'exemple les structures Transoner de Face Electronics fonctionnant sur un mode radial, ou encore les brevets EP1407497 de BOYD CLARK DAVIES (US) (2002-04-02) et EP1220338 de LI HONGYI (CN) (2002-07-03) revendiquant des structures composites fonctionnant sur le mode fondamental d'épaisseur. Ces transformateurs piézoélectriques peuvent être isolés entre le primaire et le secondaire par une lame isolante de faible épaisseur permettant une bonne isolation électrique sans trop modifier la transmission des ondes acoustiques du primaire au secondaire. Toutefois, il n'est pas possible de supprimer le couplage capacitif entre le primaire et le secondaire de la forme Cc = e ou s; est la permittivité de l'isolant, S la surface du transformateur et e; l'épaisseur d'isolant. Pour certaines applications telles que, par exemple, l'amorçage d'IGBT les variations d peuvent atteindre des valeurs très significatives (10 kV/microseconde) entraînant des courants importants à travers la capacité de couplage ( ic = C dV.)des transformateurs utilisés dans les convertisseurs DC /DC de l'alimentation en puissance des drivers. Dans ces conditions les valeurs des capacités de couplage doivent être très faibles (environ 1 pF). La présente invention a pour but de diminuer considérablement le couplage capacitif dans un transformateur piezoélectrique en utilisant un élément isolant très épais mais pour permettre une bonne transmission de l'énergie acoustique du primaire au secondaire cette épaisseur doit être un multiple du quart de longueur d'onde pour la ou les fréquences d'utilisation. Les caractéristiques du matériau de l'élément isolant sont donc une excellente rigidité électrique, une faible permittivité et un faible coefficient d'atténuation des ondes acoustiques aux fréquences d'utilisation. Une originalité de l'invention repose sur l'adaptation de la transmission d'énergie qui nécessite de respecter des dimensions bien définies des éléments piézoélectriques (de longueur p pour le primaire et s pour le secondaire) et de l'élément isolant (de longueur ì) pour avoir des ondes stationnaires en mode longitudinal à la fréquence de travail fs: É Un multiple du quart de la longueur d'onde Xo dans les 2 éléments piézoélectriques de longueurs p et És: p = np 4,et 2s = ns 4, avec 1 = É Vo = vitesse de propagation des ondes longitudinales dans le matériau des éléments piézoélectriques É Un multiple du quart de longueur d'onde Xi dans l'élément isolant de longueur Li: Éi = ni 4 avec X. = f' Vi = vitesse de propagation des ondes longitudin ales dans l'isolant s É Un multiple en demi-onde de mode n pour le transformateur complet puisque les faces extérieures sont toujours des ventres de vibration et des noeuds de contraintes: L=É +2s+LÉ = (np + ns) 4 + ni 4 20 30 Le mode n sera défini par: n = np + ns + ni 2 Donc si np + ns est pair ni sera pair et si np + ns est impair ni sera impair. Les relations entre 2p, es et ; sont: =p ni Vi =fis nV npV nsvo Pour np et ns on utilisera généralement les premiers modes 1, 2 ou 3 alors que pour ni la valeur pourra être très élevée (jusqu'à 60 par exemple) suivant l'épaisseur e; choisie.. Le transformateur peut être adapté sur une seule fréquence (par exemple si es = (p et ni = 32 seul le mode n = 19 avec ns = np = 3, ni = 32 sera convenablement excité np 3 à la fréquence fs19 = 4 ) ou sur plusieurs fréquences (par exemple si es = , et P ni 3 = =10 les modes n=6(ns=np=1,n;=10)n=12(ns=np=2,ni=20)etn=18 np 3 (ns= np = 3, n, = 30) sont convenablement excités aux fréquences fsg = e-, fsi2 = 2 fs6 P et fs 1 S = 3 fs6. Si p = 2s le rapport de transformation à l'adaptation sera voisin de 1 et le transformateur est un transformateur d'isolement. Si 2p On peut par exemple prendre p = 3 es et ns = 3 np avec np = 1, ns = 3 et l n = 32 on excitera le mode n = 18 np Ou bien es = 2.2p ns = 2 np avec np = 1 ns = 2 et l n =31 on excitera le mode n = 17 np np = 3 ns = 6 et n' = 31 on excitera le mode n = 20 np On remarquera que le choix de la fréquence de travail (et par conséquent le choix de l'impédance de sortie à l'adaptation) est large puisqu'il est lié aux valeurs de 2p, es et de np, ns. etp = np s ns La figure 1 représente à titre d'exemple la répartition des vitesse vibratoires dans un transformateur fonctionnant sur le mode n = 6 avec ns = np = 3 et ni = 6. Cette technologie de transformateur intégrant un élément isolant dans la propagation des ondes acoustiques entraîne une diminution du coefficient de couplage due à la présence de cet élément passif mais par contre comme le rapport longueur totale du transformateur sur dimensions latérales est beaucoup plus grand que 1 il est possible d'exciter des éléments piézoélectriques minces en mode longitudinal bien couplé et non pas en mode d'épaisseur moins bien couplé Un autre avantage est l'élimination des "spurious" modes souvent observés à des fréquences de plusieurs mégahertz. Ceci permet d'utiliser des éléments classiques en zirconotitanate de plomb et non pas des éléments à base de titanate de plomb à faible couplage transverse. Le matériau de l'élément isolant doit idéalement présenter la même dérive du module d'Young avec la température que le matériau piézoélectrique pour que le rapport Vi ne change pas avec la température. Vo Le dessin annexé représente à titre d'exemple quelques formes d'exécution de l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues selon une première forme d'exécution d'un transformateur à section cylindrique à ondes longitudinales. Les figures 4 à 6 sont des vues selon une seconde forme d'exécution d'un transformateur de type plaque facilement intégrable sur une carte de circuit électronique pouvant fonctionner en ondes longitudinales La Figure 7 est la mème forme d'exécution que celle des Figures 4 à 6 mais basée sur le principe de fonctionnement en ondes de Lamb symétriques. La figure 8 est une vue selon une troisième forme d'exécution d'un transformateur constitué d'une plaque excitée en ondes de Lamb symétriques générées par un élément piézoélectrique excité en mode d'épaisseur. La figure 9 est une vue selon une quatrième forme d'exécution d'un transformateur constitué de deux poutres excitées en ondes de Lamb antisymétriques générées par un élément piézoélectrique excité en mode d'épaisseur. 25 30 Selon un mode de réalisation, le transformateur représenté à la figure 2 est constitué d'un primaire (1) et d'un secondaire (2) en forme de disque piézoélectrique électrodé sur les deux faces et polarisé suivant l'épaisseur. Ces 2 disques sont collés sur un cylindre en alumine (3) d'un diamètre légèrement inférieur à celui du disque pour permettre la soudure des connexions électriques sur la surface sérigraphiée des disques (4) (5). Un autre mode de réalisation (figure 3) consiste à utiliser un barreau cylindrique, de même diamètre que le disque, revêtu d'une sérigraphie conductrice sur les deux faces avec des retours latéraux (6) (7) pour permettre les connexions électriques. Le matériau constituant l'élément isolant peut être l'alumine, la zircone, le macor , les vitrocéramiques, du quartz, de l'oxyde de magnésium, du nitrure de bore, de la cordiérite, du pyrex, du nitrure d'aluminium, de la mullite, de la silice fondue. La principale caractéristique exigée pour ce matériau est un très grand coefficient de surtension mécanique aux fréquences de travail. L'impédance acoustique caractéristique peut être inférieure ou supérieure à celle du matériau piézoélectrique. La fréquence de travail d'une telle structure peut être de plusieurs mégahertz. Dans ces conditions les risques de rupture mécanique aux noeuds de vibration sont très faibles et le dispositif est peu sensible au mode fixation. Ces éléments contribuent fortement à la reproductibilité des performances à la stabilité en fonctionnement et à la robustesse du dispositif Les principales dérives proviennent des effets thermiques. La deuxième forme d'exécution représentée à la figure 4, constitue le mode de réalisation préféré. Elle se caractérise par un élément isolant en forme de plaque (8) sur lequel sont collés 2 éléments piézoélectriques parallélépipédiques (9) et (10) polarisés suivant l'épaisseur dont la largeur est légèrement inférieure à celle de la plaque pour permettre les connexions électriques (11) et (12) sur les faces sérigraphiées de la plaque isolante. Le bon rapport "surface en contact avec l'air ambiant / volume de céramique piézoélectrique" de cette structure facilite les échanges thermiques et accroît la stabilité du transformateur. Une autre forme d'exécution représentée à la figure 5 se caractérise par deux retours de sérigraphie conductrice (13) (14) permettant d'effectuer les connexions électriques et d'utiliser un élément isolant de même section que les éléments piézoélectriques. Une autre forme d'exécution représentée à la figure 6 consiste à utiliser des éléments piézoélectriques plus longs que l'élément isolant et d'effectuer les connexions électriques directement sur la face sérigraphiée des éléments piézoélectriques (15) (16). Il est alors inutile de sérigraphier les faces de l'élément isolant. Les structures des Figures 4 à 6 fonctionnent sur le mode longitudinal décrit précédemment mais, comme il est indiqué en Figure 7, on peut aussi transmettre l'énergie du primaire au secondaire par des ondes de Lamb symétriques (17) en excitant l'élément piézoélectrique primaire à la fréquence de résonance latérale fs = Vot/2e ou e est la dimension correspondant à l'épaisseur de la plaque (8) et Vot la vitesse de propagation des ondes transversales dans l'élément piézoélectrique.La longueur de la plaque (8) doit alors correspondre à un multiple en demionde des ondes de Lamb générées dans la plaque. Une autre disposition indiquée en Figure 8 consiste à utiliser des éléments piézoélectriques (18) (19) polarisés suivant l'axe y et avec des électrodes sur les faces (20) (21) et leurs opposées.L' élément primaire (18) est excité sur sa fréquence de résonance fondamentale suivant l'épaisseur dans l'axe y.Le couplage électromécanique est alors meilleur que celui obtenu avec la configuration de la Figure 7. Une dernière forme d'exécution représentée à la figure 9 se caractérise par un élément isolant constitué de 2 poutres (22) (23) excitées en onde de Lamb antisymétrique (24) par l'élément piézoélectrique primaire (25) polarisé suivant l'axe y et excité en mode d'épaisseur ou longitudinal.Le secondaire (26) est identique au primaire.Une variante serait d'utiliser un primaire multicouche et un secondaire massif. REVENDICATIONS 1. Transformateur piézoélectrique comportant entre les éléments piézoélectriques primaire et secondaire un élément isolant de forte épaisseur instaurant un très fort découplage capacitif entre le primaire et le secondaire tout en permettant la transmission de l'énergie par ondes acoustiques. 2. Transformateur piézoélectrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les épaisseurs des éléments primaires, secondaires et de l'élément isolant sont tous des multiples du quart de longueur d'onde à la fréquence de travail en fonctionnement en ondes stationnaires. 3. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la transmission de l'énergie dans l'élément isolant se fait par ondes longitudinales. 4. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la transmission de l'énergie dans l'élément isolant se fait par ondes de Lamb symétriques. 5. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la transmission de l'énergie dans l'élément isolant se fait par ondes de Lamb antisymétriques. 6. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'élément isolant peut avoir la forme d'une plaque. 7. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'élément isolant peut avoir la forme d'un cylindre long. 8. Transformateur piézoélectrique selon les revendications 1, 2 et 5 caractérisé en ce que l'élément isolant est constitué de deux poutres. 9. Transformateur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce en ce que le matériau de l'élément isolant doit avoir un très fort coefficient de surtension mécanique à la fréquence de travail. 10. Transformateur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le rapport longueur totale du transformateur sur dimensions latérales soit beaucoup plus grand que 1 de façon à permettre le fonctionnement des éléments piézoélectriques minces en mode longitudinal et non pas d'épaisseur. 11. Transformateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un écart de dimension latérale entre les éléments piézoélectriques et l'élément isolant permette des connexions électriques directement sur les faces des éléments piézoélectriques supprimant ainsi toute électrode intermédiaire et toute sérigraphie des faces de l'élément isolant. 12. Transformateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un retour de sérigraphie sur les faces de l'élément isolant permette 10 d'effectuer les connexions électriques sans électrodes intermédiaires. 13. Transformateur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau des éléments piézoélectriques peut être en céramique massive ou en monocristal ou multicouches. 25