# Convertisseur Flyback pour l'alimentation de polymères électro-actifs

Christophe Baron, Elie Lefeuvre, Fabien Parrain, Morgan Almanza, Martino Lobue

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Christophe Baron, Elie Lefeuvre, Fabien Parrain, Morgan Almanza, Martino Lobue. Convertisseur Flyback pour l'alimentation de polymères électro-actifs. Symposium de génie électrique, Jul 2025, Toulouse, France. hal-05252186

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Submitted on 12 Sep 2025

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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# Convertisseur Flyback pour l'alimentation de polymères électro-actifs

## Introduction

Les matériaux électro-actifs suscitent un intérêt croissant en raison de leur versatilité et de leur capacité à miniaturiser des systèmes d'actionnement ou de réfrigération. Pour exploiter efficacement ces matériaux, des architectures d'électronique de puissance réversibles et haute tension (kV) sont nécessaires. L'architecture Flyback réversible, bien adaptée à leur comportement capacitif, représente une solution prometteuse. Cette étude se concentre sur les performances du commutateur secondaire dans une telle architecture, en comparant deux technologies de transistors : le MOSFET en silicium (Si) et en carbure de silicium (SiC). Les résultats expérimentaux montrent que le SiC améliore le rendement de 5 % tout en divisant par deux le nombre de composants de puissance.

## Présentation des systèmes à base de polymères électro-actifs (EAPs)

### Applications

Les polymères électro-actifs (EAP) possède une des propriétés en terme de compacités, de souplesse et d'efficacité. Pour cela, ils sont envisagés dans des domaines très variés :

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Poisson robotique conçu à partir d'actionneur souple en EAP [2]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Principe de fonctionnement d'un EAP électro-mécanique [2]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Vêtement thermorégulé [1]</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Principe de fonctionnement d'un EAP électro-calorique[1]</figcaption></figure>

### Modèle électrique d'un EAP

* Une résistance d'accès ($R_e$) (électrodes)

* Un condensateur ($C_{EAP}$)

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Modèle équivalent simple d'un EAP</figcaption></figure>

<table><thead><tr><th>Référence</th><th></th><th></th><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>V<sub>EAP</sub></td><td>10 kV</td><td>800 V</td><td>2 kV</td><td></td></tr><tr><td>C<sub>EAP</sub> en nF</td><td>10</td><td>400</td><td>20</td><td></td></tr><tr><td>R<sub>e</sub> en Ohm</td><td>1000</td><td>1</td><td>10</td><td></td></tr><tr><td>Énergies en J</td><td>0.5</td><td>0.128</td><td>0.04</td><td></td></tr></tbody></table>

### Cycle d'utilisation d'un EAP

Cycle de charge – maintient en tension – décharge :

* Fréquence faible ($\approx$1 Hz)

* Temps de charge/ décharge faible < 50 ms

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

## Alimentation des EAPs

### Objectif de l'alimentation :

* Haute tension (kV)

* Efficace (réversible)

* Compacte

* Faible puissance

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

### Implémentation d'une topologie Flyback

### Structure de la Flyback :

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Schéma électrique de la Flyback bidirectionnelle (en rouge les éléments parasites)</figcaption></figure>

### Choix des transistors : Intérêts des MOSFET SiC :

<table><caption>Caractéristiques des technologies Si vs Sic MOSFET</caption><thead><tr><th>MOSFET</th><th>V<sub>DSS</sub></th><th>I<sub>D25</sub></th><th>R<sub>DS(on)</sub></th><th>C<sub>oss</sub></th><th>Q<sub>RM</sub></th></tr></thead><tbody><tr><td>Si</td><td>3 kV</td><td>4 A</td><td>12,5 Ω</td><td>177 pF</td><td>440 nC</td></tr><tr><td>SiC</td><td>3,3 kV</td><td>3 A</td><td>1 Ω</td><td>10 pF</td><td>40 nC</td></tr></tbody></table>

### Étude expérimentale

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Carte secondaire (Flyback)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Mesure expérimentale des forme d'onde</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

### 3 Variantes d'interrupteur :

* MOSFET SiC et 2 Diodes (SiC+D)

* MOSFET Si et 2 Diode (Si+D)

* MOSFET SiC seul (SiC)

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

### Impact du MOSFET sur $\eta$[%]

<table><caption>Efficacité de la Flyback (10 nF, 2.7 kV)</caption><thead><tr><th>Phase</th><th>Si + D</th><th>SiC + D</th><th>SiC</th></tr></thead><tbody><tr><td>Charge</td><td>83,5 %</td><td>85,4 %</td><td>85,0 %</td></tr><tr><td>Décharge</td><td>80,5 %</td><td>84,0 %</td><td>85,3 %</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Répartition analytique des pertes lors de la décharge</figcaption></figure>

## Conclusion

Cette étude met en évidence l'apport significatif des MOSFET en SiC pour la réalisation d'interrupteurs secondaires performants dans les convertisseurs Flyback réversibles. Leur utilisation permet un gain de rendement de 5 points lors de la phase de décharge, tout en supprimant la nécessité de deux diodes, ce qui contribue à une réduction notable de l'encombrement. Par ailleurs, l'analyse des pertes montre que celles-ci se concentrent désormais majoritairement dans les bobinages, confirmant une symétrisation des rendements entre charge et décharge.

Ainsi, le choix et l'optimisation des bobinages apparaissent comme le nouveau facteur limitant pour améliorer davantage les performances globales du convertisseur.

### Références

[1] Z. Wang, Y. Bo, P. Bai, S. Zhang, G. Li, X. Wan, Y. Liu, R. Ma, Y. Chen, "Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight", Science 2023

[2] Stephan- Daniel Gravert, Elia Varini, Robert K. Katzschmann, "Low-voltage electrohydraulic actuators for untethered robotics", Science Advances, 2024

[3] M. Almanza, F. Clavica, J. Chavanne, D. Moser, D. Obrist, T. Carrel, Y. Civet, Y. Perriard, "Feasibility of a Dielectric Elastomer Augmented Aorta", Advanced Science, 2021

[4] P. Thummala, "Digital Control of a High-Voltage (2.5 kV) Bidirectional DC--DC Flyback Converter for Driving a Capacitive Incremental Actuator", IEEE T.P.E.

Ce travail a été soutenu par les ANR-20-CE05-0044, ANR-23-CE05-0012 et l'ENS Paris-Saclay.