El instituto de investigación CEA-Leti y el laboratorio de la Universidad de París Est Créteil-CNRS, Satie, han investigado cómo conseguir los altos factores de calidad y densidades de potencia de los materiales piezoeléctricos en conversión de energía en forma de un nuevo concepto de convertidor de potencia sin inductores basado en el almacenamiento de energía mecánico, en lugar de magnético.
Uno de los enfoques más comunes para lograr una electrónica de potencia más compacta y eficiente ha sido centrarse en componentes pasivos. Reducir los convertidores de potencia a menudo significa aumentar la frecuencia de conmutación para permitir elementos de almacenamiento de energía más pequeños.
Si bien es cierto que los inductores, un tipo de componente pasivo comúnmente utilizado en la electrónica de potencia, se vuelven más pequeños a medida que aumentan las frecuencias de conmutación, eventualmente chocará contra una pared debido a las propiedades magnéticas de los componentes y a los problemas de gestión térmica. Además, integrar materiales magnéticos eficientes y bobinas en el rango de amperios en chips es difícil, utilizando los procesos de fabricación actuales. CEA-Leti ha estado impulsando avances en materiales piezoeléctricos que podrían ayudar a resolver este problema.
Además de mejorar la calidad y los factores de acoplamiento, los materiales piezoeléctricos eliminan la necesidad de devanado y ensamblaje del núcleo, lo que significa un proceso de fabricación más ágil. Asimismo, su perfil plano los hace óptimos para aplicaciones de bajo perfil en dispositivos móviles.
Resonadores piezoeléctricos para el almacenamiento de energía
Buscando formas de resolver los nuevos desafíos creados, CEA-Leti y Satie han estado trabajando juntos durante los últimos años en resonadores piezoeléctricos (PR) para el almacenamiento de energía, utilizando estos pequeños sistemas mecánicos en lugar de inductores magnéticos convencionales en convertidores de potencia. La investigación de CEA-Leti con Satie ha llevado al desarrollo de nuevas topologías que explotan plenamente el potencial de las relaciones públicas para casos de uso de conversión de energía.
La investigación produjo tres nuevos tipos de convertidores, uno para conversión CC/CC de voltaje reductor, otro para conversión CC/CC aislada y otro para conversión CC/CA de muy alta frecuencia. En particular, el convertidor reductor de voltaje, que utiliza PZT (titanato de circonato de plomo, un material piezoeléctrico común), exhibió un aumento de densidad de potencia a medida que aumentó la frecuencia de operación, alcanzando hasta 100 W a 1 MHz.
El convertidor de muy alta frecuencia, que utiliza una topología VHF φ2, se combinó con un resonador LNO (niobato de litio) específico y un bucle de regulación ZVS (conmutación de voltaje cero). El dispositivo permitió demostrar el funcionamiento del material piezoeléctrico a 20,6 MHz.
También modelaron y generalizaron el principio de conversión piezoeléctrica a conversión elevadora, conversión reductora y relaciones de conversión alta/baja, algo que es vital para el desarrollo de bucles de control genéricos para operaciones de alta frecuencia. La comparación del material piezoeléctrico con un inductor que funciona al mismo nivel de potencia reveló un aumento sustancial de volumen de más de siete veces, lo que subraya el potencial transformador de una innovación nacida de una asociación particularmente fructífera con un laboratorio de investigación académica.