In a conventional electronic ballast for a fluorescent lamp, inductor-capacitor-transformer tank circuit is used. A Piezoelectric Transformer (PT) can potentially be used to replace such a tank circuit to save space and cost. In the past, ballast design using a PT requires selecting a PT from available samples which are normally not matched to specific application and therefore resulting in poor performance. In this thesis, a design procedure was proposed for designing a PT tailored for a 120-V 32-W electronic ballast with high power factor, high efficiency and Zero-Voltage-Switching (ZVS) of the inverter transistors that drive the lamp. This involves selection of PT materials, determination of geometries and the number of physical layers of the PT. A radial mode piezoelectric transformer prototype based on this design process was fabricated by Face Electronics Inc. and was tested experimentally, the results showed that the ballast using this custom-made PT achieved high power factor, Zero-Voltage-Switching and a 83% overall efficiency. / Master of Science

In the past, radial-mode piezoelectric transformer (Transoner) design has been difficult due to the complex interaction between the physical and electrical circuit characteristics. Prior to a design procedure, experimental design by Face Electronics, LC led to a sample that could fit a ballast application enabling zero voltage switching (ZVS) for the semiconductors without the use of any external inductance. In the ballast circuit, the piezoelectric transformer is used to replace the conventional inductor-capacitor resonant tank saving valuable space and expense. With ballast in mind, a design process has been developed in this thesis to optimize radial mode transformers to fit specifically tailored applications. The graphical process described, allows the engineer to design in the capability of zero voltage switching for a half-bridge drive while simultaneously providing highly efficient performance. The problem of mounting a piezoelectric transformer to a circuit board has also been addressed in this thesis. A thermally conductive mounting technique has been developed which can enhance both the power capability and reliability of circuits utilizing these devices. / Master of Science

To minimize the size of the electronic ballast, a half-bridge load- resonant inverter with a cascading Rosen-type piezoelectric transformer (PT) is designed for cold cathode fluorescent lamps (CCFLs). The electrical characteristics of the PT are investigated to obtain a higher voltage gain by adapting the load impedance to the interposed network. The circuit parameters are selected under the considerations of (1) the minimum inductor size, (2) the higher circuit efficiency, (3) the rated current of the PT, and (4) the stable lamp operation. The electronic ballasts are designed for operating the lamp at the rated lamp power and with dimming control by asymmetrical pulse-width-modulation (APWM),respectively. Laboratory circuits are assembled and, experimental tests are carried out to validate the theoretical analyse

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.

Les transformateurs piézoélectriques présentent de nombreux intérêts en électronique de puissance par rapport aux transformateurs magnétiques : gains en tension élevé, forte densité de puissance, compacité, rendements élevés, forte isolation galvanique et faibles rayonnement électromagnétiques. Toutefois, les structures classiques sont basées sur la génération d’une onde stationnaire qui limite le nombre d’électrodes et de tensions disponibles en sortie. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle topologie de transformateur piézoélectrique qui utilise une onde progressive au lieu d’une onde stationnaire. Avec cette solution, il est possible d’obtenir un système polyphasé de tensions en sortie du transformateur ce qui rend possible plusieurs types de conversion (DC-DC, DC-AC à fréquence variable).Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau modèle analytique permettant de décrire le comportement du transformateur à partir de ses dimensions et des propriétés du matériau. Différents prototypes ont été développés pour valider le concept du transformateur et des séries de mesures ont permis de valider le modèle. Concernant les performances, un transformateur cylindrique basé sur une onde de volume a pu fournir un système quadriphasé avec une puissance maximale de 6 W et des rendements de 90%.Une autre approche visait à décrire le comportement d’un transformateur déjà réalisé par l’extraction de ses paramètres Y. A partir de cela, une représentation compatible avec les logiciels de simulation de type Spice a permis une simulation précise du transformateur et du convertisseur de puissance associé.Enfin, deux convertisseurs de puissances ont été conçus basés sur ce transformateur à onde progressive. Le premier est un convertisseur DC-DC basé sur un redresseur polyphasé pour l’alimentation de drivers isolés. Les différentes tensions disponibles à la sortie permettent l’alimentation de plusieurs drivers avec un seul transformateur. Le second convertisseur est un convertisseur DC-AC basé sur le principe d’un cycloconvertisseur. La recombinaison des phases à la sortie permet d’obtenir un signal AC. / Piezoelectric transformers propose several advantages over magnetic ones for power conversion : high voltage gain, compactness, high power density, high efficiency due to their high quality factor, strong galvanic isolation and low electro-magnetic emissions. However, in general, they are based on the generation of a standing wave that limits the number of electrodes at the surface of the transformer. In this PhD, we propose the use of a traveling wave instead of a standing wave. With this solution, it is possible to obtain a multi-phase system of voltages at the output which makes it suitable for different types of conversion (DC-DC, DC-AC with variable frequency).During this work, we developed a new analytical modelling of the transformer that describes its electrical behavior based on geometry and material properties. Different prototypes of TWPT were conceived to validate the concept and on which we perform measurements to validate the analytical modelling. Among them, cylinder-type TWTP based on longitudinal waves outputs a four-phase system with an output power of 6 W and efficiencies as high as 90%.A second approach developed consisted in the modelling of an already made transformer based on the experimental extraction of admittance parameters and its representation for simulation in Spice-type software. This approach allows for precise simulation of the transformer and the associated power converters.Finally, we designed two power converters based on this traveling wave piezoelectric transformers. The first one is a DC-DC converter that is based on a polyphase rectifier for isolated gate-drive power supply. The several phases available at the output allows for the generation of the supply for numerous drivers. The second one is a DC-AC converter similar to a matrix converter. The combination of the phases at the output of the TWPT allows for generation an AC signal at any frequency.

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.

L’objectif de cette étude est d’améliorer les performances des transformateurs piézoélectriques en terme de courant de sortie et de puissance pour des applications d’alimentation DC/DC, grâce à la gestion de l’échauffement. Le courant de sortie des transformateurs piézoélectriques, et donc la puissance transmise, sont directement liés à la vitesse de vibration qui pour des valeurs élevées engendre des pertes et une forte élévation de température. Cette élévation excessive de la température a comme conséquence le changement des caractéristiques du transformateur et plus particulièrement la diminution du facteur de qualité Q. Ainsi cela entraine une limite structurelle de la puissance transmise du transformateur. Une solution pour augmenter le courant de sortie est l’utilisation d’un redresseur doubleur de courant, qui grâce à 2 inductances permet, à courant de charge donné, de diminuer la vitesse de vibration du transformateur, mais ne permet pas de régler le problème d’échauffement du transformateur. Dans cette thèse nous proposons des moyens d’évacuation de la chaleur ainsi que le choix de l’environnement dans lequel le transformateur devra fonctionner. L’influence de différents systèmes de refroidissement d’un convertisseur DC/DC à base transformateur piézoélectrique est étudiée. L’étude thermique du transformateur piézoélectrique multicouche polarisé en épaisseur et ayant des électrodes circulaires met en évidence un comportement non linéaire. Une plaque vibrante piézoélectrique est d’abord envisagée pour créer un flux d’air qui augmente l’évacuation de chaleur par convection, puis un module de refroidissement utilisant l’effet thermoélectrique. Les mesures montrent que la première solution est plus avantageuse car elle améliore sensiblement les performances du transformateur pour un coût énergétique très faible. Une étude thermique par éléments finis complète cette étude, montrant que l’approche par schéma électrique est pertinente. La puissance que peut délivrer le transformateur sur une charge optimale est encore augmentée. Enfin, ce travail montre qu’en combinant les dispositifs de refroidissement tout en respectant la condition de température inférieure à 55°C, le rendement du convertisseur reste raisonnable (70%) et la puissance disponible peut doubler dans le meilleur des cas. / The objective of this study was to increase the output current and power in a piezoelectric transformer (PT) based DC/DC converter by adding a cooling system. It is known that the output current of PT is limited by temperature build-up because of losses especially when driving at high vibration velocity. Excessive temperature rise will decrease the quality factor Q of piezoelectric component during the operational process. Simultaneously the vibration energy cannot be increased even if under higher excitation voltage. Although connecting different inductive circuits at the PT secondary terminal can increase the output current, the root cause of temperature build-up problem is not solved.This dissertation presents the heat transfer technology to deal with the temperature build-up problem. With the heat transfer technology, the threshold vibration velocity of PT can be increased and thus the output current and output power (almost three times).Furthermore, a comparison between heat transfer technology and current-doubler rectifier applied to the piezoelectric transformer based DC/DC converter was also studied. The advantages and disadvantages of the proposed technique were investigated. A theoretical-phenomenological model was developed to explain the relationship between the losses and the temperature rise. It will be shown that the vibration velocity as well as the heat generation increases the losses. In our design, the maximum output current capacity can increase 100% when the operating condition of PT temperature is kept below 55°C. The study comprises of a theoretical part and experimental proof-of-concept demonstration of the proposed design method.

Les transformateurs piézoélectriques se positionnent aujourd'hui comme une alternative technologique séduisante face aux solutions classiquement utilisées pour la génération des plasmas froids. Leur haute permittivité, leur faible tension d’alimentation et leur capacité de miniaturisation en font une solution sérieuse et originale pour de nombreuses applications faibles puissances, notamment dans le domaine biomédical pour la stérilisation, le traitement de surface et la décontami-nation des instruments médicaux. Dans le cadre d'un fonctionnement en générateur plasma, la conversion électromécanique au sein du transformateur s’accompagne de pertes mécaniques et diélectriques, souvent converties en chaleur. À ces effets s'ajoute l’influence proprement dite de la décharge sur le comportement électrique du dispositif. L’évolution dynamique et fortement non-linéaire de la décharge entraine un comportement méconnu des grandeurs électriques. Par conséquent, l’étage d’alimentation du transformateur constitue un sujet d’étude au même titre que le transformateur lui-même. De plus, étant donné la configuration du processus de génération, qui positionne le matériau piézoélectrique comme source et siège de la décharge plasma, il devient nécessaire d’analyser la viabilité du dispositif. L’ionisation du milieu gazeux environnant le générateur provoque des effets électroniques complexes, susceptibles d’entrainer des dépôts de matière à la surface du matériau ou d’en éroder la surface. C’est dans ce cadre, à l’interface entre le génie électrique et la science des matériaux, que s’articule cette thèse. Une première partie est destinée au développement d’un outil de commande numérique du générateur par une boucle de verrouillage de phase, assurant sa continuité de fonctionnement face aux variations des conditions opératoires. Par la suite, une modélisation du générateur plasma dans des configurations proches des décharges à barrières diélectriques est effectuée ;des simulations permettent une estimation de la puissance de décharge à partir d’une identification expérimentale des paramètres du modèle. Dans un deuxième temps, nous cherchons à établir une corrélation entre la structure du matériau et ses propriétés électriques en s’appuyant sur une méthodologie de caractérisation multi-échelle, avant et après décharge plasma. L'étude se focalise principalement sur l'évolution en surface de la structure cristalline et la composition chimique, en liaison avec les propriétés fonctionnelles du transformateur après génération de la décharge. Enfin, une étude en température porte sur l’investigation des effets d’auto-échauffement du générateur dans ce mode de fonctionnement / Due to intensive development efforts during the past decade, piezoelectric transformers havebecome an attractive alternative solution compared to the con-ventionally used technologies forcold plasma generation. Their high efficiency, thin-shaped dimensions and low voltage supplymake them serious and original candidates for numerous low power applications, particularly inbiomedical field. Operating as a plasma generator, the electromechanical conversion within thetransformer is accompanied by mechanical and dielectric losses, often converted into heat. On topof these effects, the discharge is likely to influence the electrical behavior of the device. Thedynamic and highly non-linear evolution of the dis-charge leads to an unknown behavior ofelectrical properties. Consequently, the transformer supply stage is an active research subject inthe same way as the trans-former itself. Moreover, considering the configuration of the generationprocess, which positions the piezoelectric material as the source and the spot of the plasmadischarge, it becomes necessary to consider the viability of the device. The ioniza-tion of thegaseous environment surrounding the generator causes complex elec-tronic effects, which canlead to material deposition on the surface of the generator and thus modify or even degrade it. It iswithin this framework, at the interface between electrical engineering and material science, thatthis thesis is articulated. A first part is intended to develop a setup for numerical control of thedevice using a digital phase-locked loop to ensure its continuous operation in different operatingconditions. Subsequently, a model of the plasma generator in configurations close to dielectricbarrier discharges is proposed; Simulations allow an estimation of the discharge power from anexperimental identification of the model parameters. In a second part, we seek to establish acorrelation between the material structure and its electrical properties based on a multi-scalecharacterization methodology, before and after plasma discharge. The study focuses mainly onthe surface evolution in terms of the crystalline structure and the chemical composition, related tothe over-all properties of the piezoelectric transformer before and after discharge generation.Finally, a temperature study that concerns the investigation of the effects of self-heating of thegenerator in this operating mode is performed

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L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique. / The emergence of piezoelectric transformers coincides with the development in the 1950s of ferroelectric ceramics belonging to the perovskites crystalline family. In addition to providing small size and weight, piezoelectric transformers offer outstanding performances in terms of galvanic insulation, voltage ratio and efficiency. Furthermore, compared with conventional electromagnetic transformers, piezoelectric transformers are free from electromagnetic interference. They are consequently more suitable for low power and high efficiency applications for small embedded systems. However, piezoelectric transformers can be deviated from their initial applications. Indeed, the emergence of plasma generator by piezoelectric effect, using mainly piezoelectric transformers, made its mark on the last decade. Nevertheless, if a few typical applications perfectly exemplify this interaction, the understanding of instigated physical phenomena remains to go into detail. The aim of this thesis is to explain the fundaments by a methodical approach. This work is based on several steps including the implementation of piezoelectric transformer analytical modeling, the study of the electrical field generated by a piezoelectric transformer and a first experimental investigation from piezoelectric transformer terminals. The analytical modeling is based on the utilization of the least action principle. From linear piezoelectric theory, a general model applicable to all transformer geometries, using multiple piezoelectric coupling modes, is put forward. Its multimodal characteristic is in addition underlined. This modeling is applied to a classical Rosen type transformer and the obtained results are confirmed on one hand by a numerical identication, and on the other hand by an experimental characterization. The previous analytical modeling does not take into account in its application the influence of the environment in which the piezoelectric transformer evolves. In order to qualify the produced electrical potential, a 2D numerical model of surrounding electrical field is put forward according to nite difference method. This model is based on the extension of previously developed analytical model including mechanical losses in order to quantify the surfacic electrical potential. Even if plasma influence is ignored in first approximation, the modeling allows to highlight high electrical field areas matching glow discharges areas experimentally observed. Finally, in order to validate the concept of piezoelectric plasma generator, a characterization from Rosen type piezoelectric transformer terminals has been undertaken. A systematic study of plasma discharge ignition in function of the input voltage level and the surrounding pressure has been carried out. This experimental part of the study constitutes a pioneering approach in order to qualify transformer electromechanical behavior. It has consequently allowed to give rise to nonlinear behaviors from untypical operation mode which is the surfacic discharge generation by piezoelectric effect.