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Ultra High Voltage Switch for Bidirectional DC-DC Converter Driving Dielectric Elastomer Actuator

Résumé

Specific applications, such as dielectric elastomer actuators (DEAs) or electroactive polymers, require to switch voltage levels exceeding the ratings of existing semiconductor devices. In low power application, reversible flyback are widely used to supply DEAs. Lowering the parallel parasitic capacitance of the high voltage switch is important to improve the energy transfer, while it becomes mandatory to increase the output voltage of flyback above 2.5 kV. In this paper, a Pulsed Transformer Gate Driver (PTGD) is used to drive series-connected MOSFET and therefore push the limits from 4.5 kV up to 16 kV. At these high voltage levels, the structure reveals a drastic voltage unbalance related to the transformer interwinding parasitic capacitance. The compensation method proposed to achieve voltage balance only adds few passive components and reduces significantly the additional parallel capacitance of the switch compared to common load side voltage balancing methods. Finally and as proof of concept, a half-bridge bidirectional converter was designed from this switch technology and drove an actual dielectric elastomer actuator at 16 kV.

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Courant continu haute tension
thumb|upright=1.5|Convertisseurs à thyristors sur le pôle 2 de la ligne Inter-Island en Nouvelle-Zélande.thumb|upright=1.5|Symbole d'un convertisseur AC/DC. Le courant continu haute tension (CCHT), en anglais High Voltage Direct Current (HVDC), est une technologie d'électronique de puissance utilisée pour le transport de l'électricité en courant continu haute tension. Son utilisation est minoritaire par rapport au transport électrique à courant alternatif (AC) traditionnel de nos réseaux électriques.
Régulateur de tension
Un régulateur de tension, est un organe électrotechnique ou un composant électronique qui maintient à sa sortie, dans certaines limites, une tension constante, indépendamment de la charge et de la tension d'entrée. Jusque dans les années 1970, les automobiles utilisaient un régulateur électromécanique pour réguler la tension de sortie de leur dynamo ou de leur alternateur. Ces régulateurs utilisent plusieurs relais commutant des résistances afin de faire varier le courant d'excitation de l'alternateur et rendre ainsi sa tension de sortie indépendante du régime de rotation du moteur et de la consommation électrique.
Alimentation à découpage
Une alimentation à découpage est une alimentation électrique dont la régulation est assurée par des composants électroniques de puissance utilisés en commutation (généralement des transistors). Ce mode de fonctionnement diffère de celui des alimentations linéaires dans lesquelles les composants électroniques sont utilisés en mode linéaire. Une alimentation à découpage de type forward est une alimentation qui transmet instantanément la puissance, alors que celle de type flyback stocke cette énergie sous forme d'énergie magnétique dans une inductance (bobine) et libère ensuite cette énergie dans un circuit dit secondaire.
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