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CONDENSATEUR FILM A TRES HAUTE CAPACITE ET SON PROCEDE DE FABRICATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention est relative à un condensateur film à très
haute capacité, ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un tel condensateur.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Un condensateur film est constitué de deux structures, en général
métalliques, porteuses de charges, séparées par un isolant diélectrique. Cet
isolant se présente sous la forme d'au moins un film, en général un film
polymère
autosupporté, qui est caractérisé par une épaisseur moyenne [et] avec
0.05 pm ef < 50 pin typiquement, et une permittivité diélectrique relative
[ef]
OU ef > 1.
La capacité d'un condensateur film étant proportionnelle à cf et
inversement proportionnelle à ef, on peut obtenir un condensateur film de très
haute capacité (ci-après dénommé en abrégé "CFTHC") en utilisant un isolant
diélectrique de faible épaisseur (ef 10 lem, le signe signifiant
"inférieur
voire très inférieur à") et de permittivité diélectrique relative élevée (ef
10, le
signe signifiant "supérieur voire très supérieur à").
La rugosité de ce film et/ou la configuration de l'empilement
décrit ci-dessus font que, dans ta plupart des cas, des zones remplies d'air
peuvent être présentes. Leur épaisseur reste cependant faible au regard de ef
1 pm et 10% ef typiquement).
Ce phénomène est connu et mis à profit dans le cas des
condensateurs imprégnés où l'air est alors remplacé par un imprégnant, en
général un liquide diélectrique de permittivité diélectrique relative [E]
proche
de ef ( I Ef - E I 2
typiquement). Dans le cas des condensateurs non imprégnés
(appelés "condensateurs secs"), l'air de permittivité diélectrique relative
[Eairl
pratiquement égale à 1, se retrouve alors localement en série avec l'isolant
diélectrique principal. Du fait de l'épaisseur effective des zones contenant
l'air,
cette présence dans l'empilement a peu d'influence sur le fonctionnement du
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condensateur lorsque Ef 10. Mais ce n'est plus le cas dans un CFHTC où
Ef 10.
Plus globalement, lorsque le gradient de fonctionnement devient
élevé (k 50 V/pm), la présence de ces zones où les caractéristiques
diélectriques
sont différentes et généralement moindres vis à vis de celles de l'isolant
principal, peut entraîner des décharges partielles, voire des claquages
intempestifs, dommageables pour le condensateur ou, a minima, pour ses
performances (résistance d'isolement et courant de fuite typiquement). Et cela
est d'autant plus vrai que Ef est élevée.
Par ailleurs, les dispositifs de stockage d'énergie électrique les plus
courants sont les condensateurs, les supercondensateurs et les batteries.
Les condensateurs sont de plusieurs types (film, céramique,
électrochimique, etc.) mais stockent tous l'énergie par effet capacitif : la
charge
stockée [Q] est proportionnelle à la capacité [C] du dispositif de stockage et
à la
tension [U] aux bornes de ce dispositif, de sorte que Q = C x U.
Même si la tension peut être très élevée (U 1000 V), la capacité
est très faible (C 1 F) et la quantité de charges stockées est donc
également
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contre, le temps de réponse [r] est très rapide
(r 10-3 s), ce qui permet au condensateur de répondre à des pics de
puissance.
Le condensateur est donc rarement utilisé comme un dispositif de
stockage d'énergie, ou seulement lorsque la quantité d'énergie en jeu est très
faible et/ou la puissance demandée élevée (comme par exemple le flash d'une
lampe).
Les supercondensateurs sont des dispositifs électrochimiques qui
stockent l'énergie principalement par effet capacitif.
De par leur nature électrochimique, la tension est faible
(U 10V). Par contre, de par leur structure, la capacité est très élevée
(C 1 F) et le temps de réponse est rapide (r = 1 s).
Le supercondensateur est donc utilisé pour stocker une quantité
d'énergie ou de charges moyenne (Q 1 Ah) à
utiliser sur un temps court
(quelques dizaines de secondes) ou sous des puissances élevées (comme le
démarrage d'un moteur par exemple).
Les batteries sont des dispositifs électrochimiques qui stockent
l'énergie principalement par réaction électrochimique : la charge stockée est
proportionnelle à la quantité de matière qui réagit.
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De par leur nature électrochimique, la tension est faible
(U 10V) et le temps de réponse lent Cr 1 s), mais la quantité de charges
stockées peut être très élevée (Q 10 Ah).
La batterie est donc utilisée pour stocker une grande quantité
d'énergie (quelques milliers Ah) à utiliser sur un temps moyen à long
(quelques
heures) et avec des appels de puissance modérés (comme le fonctionnement d'un
moteur par exemple).
Condensateurs et supercondensateurs ne faisant intervenir que des
mouvements de charges, ils présentent des temps de réponse courts, un
comportement symétrique en charge et décharge, et une grande aptitude à
répéter des cycles (plus de plusieurs millions de cycles typiquement).
Ce n'est pas le cas des batteries où les charges se déplacent mais
surtout participent à une réaction électrochimique. Cette dernière limite le
temps de réponse, provoque une dissymétrie dans le comportement en charge et
décharge, et réduit fortement l'aptitude à répéter des cycles (moins de
quelques
milliers de cycles typiquement).
Les condensateurs film à très haute capacité, à base de films
diélectriques présentant des permittivités diélectriques relatives [Ef] très
élevées
(Ef> 10), réalisent une rupture technologique. Ils présentent les avantages de
chacune des technologies de stockage d'énergie électrique citées plus haut
(haute tension, temps de réponse rapide, quantité de charges élevée, forte
aptitude à répéter des cycles), sans leurs inconvénients.
Ils constituent en eux-mêmes une nouvelle classe de dispositifs
pouvant remplacer chacun des dispositifs conventionnels de stockage d'énergie
électrique. En particulier, il est possible d'adapter les valeurs de Ef et ef
au
domaine d'application.
Par exemple, dans le cas d'une application typique de batterie, on
cherchera à obtenir une capacité surfacique très élevée, en utilisant une
épaisseur faible (ef 5_ 2 pm) et une permittivité diélectrique relative très
élevée
(Ef 2000). Dans ce cas, le dispositif aura une surface raisonnable, en accord
avec les puissances demandées par l'application (il existe pour une
technologie
donnée une limite puissance/surface au-delà de laquelle la technologie n'est
plus
viable, en grande partie pour des raisons thermiques).
Dans le cas d'une application typique de supercondensateur, où tes
puissances demandées sont significativement supérieures alors que l'énergie
demandée est moindre, il sera obligatoire de travailler avec des surfaces plus
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importantes. Cela nécessite donc d'utiliser un film diélectrique de plus forte
épaisseur ( 1 IJM 5 ef 5 5 pm) ou de plus faible permittivité diélectrique
relative
(100 5 Cf 5 2000).
Dans le cas d'une application typique de condensateur, où l'énergie
n'est pas un critère mais où la tension de fonctionnement est souvent élevée,
on
pourra travailler avec un film diélectrique de forte épaisseur (ef k 5 pm) et
de
faible permittivité diélectrique relative (10 5_ Ef 5. 100) tout en gagnant en
surface
par rapport aux matériaux diélectriques conventionnellement utilisés.
RESUME DE L'INVENTION
La conception des condensateurs film tels que décrits plus haut
n'est pas adaptée pour des condensateurs film à très haute capacité [CFTHC]
utilisant des films diélectriques qui présentent des permittivités
diélectriques
relatives [Ef] très élevées (f k 10), que ce soit dans une configuration
sèche ou
imprégnée.
Dans les deux cas, l'existence inévitable de zones présentant des
caractéristiques diélectriques très inférieures à celle du film diélectrique
principal empêche le fonctionnement correct du condensateur, en particulier :
- en diminuant la capacité réelle via une diminution de la
permittivité diélectrique relative locale ;
- en augmentant le courant de fuite via la présence de décharges
partielles locales ;
- en dégradant la tension de claquage via une diminution de la
rigidité diélectrique locale.
La présente invention vise à apporter une solution à ces
problèmes.
Un premier objet de la présente invention porte donc sur un
condensateur film de très haute capacité utilisant au moins un isolant
diélectrique de permittivité relative ef 10 et dans lequel la présence
éventuelle
de zones où la permittivité diélectrique relative est localement très
inférieure à
Cf n'entraîne pas de dégradation des performances du condensateur.
Ainsi, un premier aspect de l'invention se rapporte à un
condensateur film à très haute capacité qui comporte une couche diélectrique
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constituée d'au moins un film diélectrique, chaque film diélectrique de cette
couche diélectrique présentant les paramètres suivants :
- une permittivité diélectrique relative [tfl telle que Efi k 10,
- une épaisseur [efl telle que 0.05 'JIM efi 50 pm,
- une rigidité diélectrique [Efl] telle que Ef' 50 V/pm,
paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i k 1 "i" désignant le "ième"
film
diélectrique de ladite couche diélectrique,
cette couche diélectrique séparant une première structure porteuse de charges
électroniques d'une deuxième structure porteuse de charges électroniques, ces
deux structures ayant une surface en regard S séparée par la couche
diélectrique,
caractérisé par le fait que :
A/ l'interface entre la couche diélectrique et la première structure répond
aux
exigences suivantes :
- la portion de ta surface en regard où ladite première structure est
directement
en contact avec ladite couche diélectrique est supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où la couche diélectrique n'est pas
directement en contact avec ladite première structure, elles sont séparées
localement par N épaisseurs (avec N 1) de diélectriques "parasites", chaque
épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [Epi] et une
rigidité
diélectrique [Epl qui vérifient la relation :
Epj E3 > Min(Efl Efl)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la "ilème"
épaisseur, avec 1 j N,
8/ l'interface entre la couche diélectrique et la deuxième structure répond
aux
exigences suivantes :
- la portion de la surface en regard où ladite deuxième structure est
directement
en contact avec ladite couche diélectrique est supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où la couche diélectrique n'est pas
directement en contact avec ladite deuxième structure, elles sont séparées
localement par M épaisseurs (avec M 1) de
diélectriques "parasites", chaque
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épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [Epk] et une
rigidité
diélectrique [El] qui vérifient la relation :
epk Epk ivtin(efk Efk)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la "kième"
épaisseur, avec 1 k 5_ M,
avec la condition supplémentaire suivante :
C/ quand ladite couche diélectrique est constituée de plus d'un film
diélectrique,
alors toute interface I entre deux films diélectriques satisfait aux
conditions
suivantes :
- la portion de la surface en regard où les deux films diélectriques sont
directement en contact est supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface I où les deux films diélectriques
ne
sont pas directement en contact, ces films sont séparés localement par Pz
épaisseurs (avec Pz 1) de diélectriques "parasites", chaque épaisseur
présentant
une permittivité diélectrique relative [Epe] et une rigidité diélectrique
[Epe] qui
vérifient la relation :
Epe Epe Min(Efi Efl)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "e" désigne la "elème"
épaisseur, avec 1 e Pi, ladite couche diélectrique étant en matériau polymère
ou à base de matériau polymère, à l'exclusion d'un matériau exclusivement
minéral.
Selon un mode de réalisation préféré de ce condensateur, ladite
couche diélectrique n'est pas autosupportée.
Un autre aspect de l'invention est relatif à un procédé de
fabrication d'un condensateur film selon la caractéristique ci-dessus,
caractérisé
par le fait qu'il présente les étapes successives suivantes :
a) on fait usage d'une deuxième couche diélectrique dite "couche
de support", de permittivité diélectrique relative [Efl et d'épaisseur [efl,
qui est
métallisée sur au moins une de ses deux faces opposées, et de rigidité
diélectrique [V],
b) on dépose ladite couche diélectrique sur ladite couche de
support de telle sorte qu'elle soit en contact avec une face métallisée de
cette
couche de support,
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c) on procède à la métallisation de la face de ladite couche
diélectrique qui est restée libre à l'issue de l'étape b),
d) on procède au bobinage sur lui-même de l'ensemble issu de
l'étape c) ou à l'empilage de plusieurs ensembles issus de l'étape c),
lesdites couche diélectrique et couche de support respectant ta
relation suivante :
ef Ef' > ef Ef, dans laquelle les expressions ef et Ef sont définies dans
la revendication 1.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de
ce procédé :
- l'on fait usage d'un film support métallisé sur ses deux faces, et à
l'étape d), on fait coïncider, c'est-à-dire mettre en miroir ta surface
métallisée
de ladite couche diélectrique avec celle d'une des faces de ladite couche de
support ;
- l'on fait usage d'un film support métallisé sur une de ses faces et
à l'étape d), on fait coïncider, c'est-à-dire mettre en miroir la surface
métallisée
de ladite couche diélectrique avec celle de ladite couche de support ;
- l'on utilise une couche de support dont la permittivité électrique
relative [Ef] est inférieure ou égale à 10 ;
- l'on procède à la mise en oeuvre de l'étape d) en opérant sous
vide ou sous une pression inférieure ou égale à 10 mbar ;
- à l'étape d), on procède à un plaquage d'un nouvel ensemble sur
le précédent en appliquant une pression, notamment via un rouleau presseur, ou
par contrôle de l'angle d'embarrage ;
- le procédé présente les étapes suivantes :
a) on dépose ladite couche diélectrique sur un film de support
constitué d'un feuillard métallique ;
h) on dépose l'ensemble issu de l'étape a) sur une couche
diélectrique de support ;
c) on dépose l'ensemble issu de l'étape b) sur un deuxième film de
support constitué d'un feuillard métallique ;
d) on procède au bobinage sur lui-même de l'ensemble issu de
l'étape c) ou à l'empilage de plusieurs ensembles issus de l'étape c) ;
- lesdites couches diélectriques sont identiques ;
- lesdits films de support sont des feuillards métalliques
identiques ;
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- entre lesdites étapes a) et b), on soumet la face de ladite couche
diélectrique qui est restée libre, à une métallisation ;
- entre lesdites étapes b) et c), on soumet la face de ladite couche
diélectrique de support qui est restée libre, à une métallisation ;
- l'on procède à la mise en oeuvre de l'étape d) en opérant sous
vide ou sous une pression inférieure ou égale à 10 mbar ;
- à l'étape d), on procède à un plaquage d'un nouvel ensemble sur
le précédent en appliquant une pression, notamment via un rouleau presseur, ou
par contrôle de l'angle d'embarrage ;
- l'on fait usage de feuillards poreux ;
- l'on fait usage de feuillards qui intègrent des fusibles ;
- l'on procède à l'intégration desdits fusibles en faisant usage de
l'une ou l'autre des techniques suivantes :
a) enlèvement de matière audit feuillard, de sorte que la matière
restante constitue Lesdits fusibles, enlèvement qui est réalisé par une
technique
telle que ta vaporisation du métal, le poinçonnage ou le perçage mécanique du
métal, la dissolution ou l'attaque chimique du métal ;
b) ajout de matière audit feuillard, de sorte que la matière
rajoutée constitue lesdits fusibles, ajout réalisé par une technique telle que
la
soudure, le brasage, le clinchage ou le matriçage.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de
l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans
lesquels :
- la figure 1 est une vue tridimensionnelle et très schématique d'un
condensateur film à très haute capacité (CFTHC) comprenant un seul film
diélectrique à titre de couche diélectrique, condensateur représenté selon une
configuration dite "idéale";
- la figure 2 est une vue du condensateur de la figure 1, selon le
plan de coupe P;
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- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 dans laquelle le
condensateur est représenté selon une configuration réelle où des
diélectriques
"parasites" sont présents ;
- la figure 4 est une vue du condensateur de la figure 3, selon le
plan de coupe P ;
- les figures 4a et 4b sont des vues agrandies des régions de la
figure 4 repérées par des cercles ;
- la figure 5 est une vue analogue à la figure 1, toujours dans une
configuration idéale, la couche diélectrique étant constituée de plusieurs
films
diélectriques ;
- la figure 6 est une vue du condensateur de la figure 5, selon le
plan de coupe P ;
- la figure 7 est une vue analogue à la figure 5 dans laquelle le
condensateur est représenté selon une configuration réelle où des
diélectriques
"parasites" sont présents ;
- la figure 8 est une vue du condensateur de la figure 7, selon le
plan de coupe P;
- les figures 8a, 8b et 8c sont des vues agrandies des régions de la
figure 8 repérées par des cercles ;
- la figure 9 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue de la première étape de fabrication d'un condensateur film
tel
que celui représenté dans les figures précédentes (avec un film diélectrique
qui
n'est pas autosupporté) ;
- la figure 10 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue de la deuxième étape qui fait suite à celle illustrée à la
figure 9 ;
- la figure 11 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue d'une variante de la deuxième étape illustrée à la figure 10;
- la figure 12 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue de la première étape d'un autre mode de réalisation de
fabrication d'un condensateur film tel que celui représenté sur tes figures 1
à 8c;
- la figure 13 est une vue analogue à la figure 12, montrant une
variante de réalisation ;
- la figure 14 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue de la deuxième étape qui fait suite à celle illustrée à la
figure
12;
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- la figure 15 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu à l'issue de la deuxième étape qui fait suite à celle illustrée à la
figure
13;
- tes figures 16 et 17 sont respectivement des vues en coupe
5 verticale de variantes des empilements des figures 14 et 15 ;
- la figure 18 est une vue en coupe verticale d'un film
autosupporté qui a été métallisé sur ses deux faces, obtenu à- l'issue d'une
première étape de fabrication d'un condensateur ;
- la figure 19 est une vue en coupe verticale d'un empilement
10 obtenu à l'issue d'une étape qui fait suite à celle illustrée à la figure
18 ;
- la figure 20 est une vue analogue à la figure 19 mais montrant
une variante de réalisation du procédé issu de cette étape ;
- ta figure 21 est aussi une vue analogue à ta figure 19 montrant
encore une autre variante ;
- la figure 22 est une vue en coupe verticale d'un empilement
obtenu selon un autre mode de réalisation ;
- la figure 23 est une vue en coupe verticale du procédé obtenu à
l'issue d'une première étape d'une variante du mode de réalisation de la
figure
22;
- enfin, la figure 24 est une vue verticale de l'empilement obtenu
suite à une seconde étape qui fait suite à l'étape de la figure 23.
DEFINITIONS
Au sein de ta présente demande et sauf mention contraire, les
définitions suivantes seront valables.
On appelle "condensateur tout film" un condensateur film dans
lequel les structures porteuses de charges électroniques (ci-après désignées
en
abrégé "SPCE") sont des feuilles métalliques indépendantes de ta couche
diélectrique. Les feuilles métalliques sont typiquement constituées
d'aluminium
ou de cuivre, ou de tout autre métal ou alliage métallique pouvant être mis
sous
forme de feuille d'épaisseur inférieure ou égale à 100 lm typiquement.
On appelle "condensateur film métallisé" un condensateur film
dans lequel les SPCE sont des couches métalliques déposées sur au moins une
face de la couche diélectrique. Le dépôt métallique est constitué notamment
d'aluminium, de zinc, de cuivre, d'argent, d'or, de platine, de chrome,
d'alliage
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de deux ou plus de ces métaux, de couches successivement déposées de ces
métaux ou alliages de métaux typiquement, ou de tout autre métal, alliage de
métaux ou succession de couches métalliques pouvant être déposé selon une
technique classique de métallisation, de type évaporation sous vide, dépôt
physicochimique sous vide ou autre.
L'un des intérêts majeurs de la technologie "film métallisé" est la
possibilité d'auto-régénération du condensateur en présence d'un défaut.
Ainsi,
lorsqu'un défaut devient critique, te condensateur part en "claquage", c'est-à-
dire
qu'il se crée un court-circuit interne via le défaut entre les deux SPCE. Le
condensateur n'est alors plus fonctionnel. La puissance très localisée dégagée
par
le court-circuit (qui prend généralement la forme d'un micro arc électrique)
induit une démétallisation par vaporisation thermique des deux SPCE autour du
défaut. La distance d'établissement du court-circuit augmente donc au fur et à
mesure de la démétallisation. A un certain moment (qui dépend de très
nombreux paramètres dont la nature et l'épaisseur de la couche métallisée, la
nature et l'épaisseur de la couche diélectrique, la nature "AC"(courant
alternatif)
ou "DC" (courant continu) et la valeur de la tension de fonctionnement, la
pression de bobinage, etc.), la distance d'établissement devient trop grande
pour
que le court-circuit se maintienne.
Le claquage s'arrête et le condensateur redevient fonctionnel : il
est "régénéré". Ce phénomène est pratiquement impossible dans un condensateur
tout film car l'épaisseur des SPCE est trop importante par rapport à la
puissance
locale disponible pour qu'il y ait une démétallisation suffisante autour du
défaut.
Par ailleurs, ce phénomène n'a rien de systématique dans un condensateur film
métallisé : la puissance dégagée par le court-circuit ne fait pas que
démétalliser
les SPCE autour du défaut et elle échauffe également le volume de condensateur
autour du défaut. Cette élévation de température peut déclencher un
phénomène d'avalanche thermique par écroulement des propriétés diélectriques
(dont principalement la rigidité diélectrique) et thermomécaniques (on peut
aller
jusqu'à la fusion) des matériaux compris dans le volume impacté. Le défaut
"diffuse" alors de proche en proche à travers te condensateur dont l'énergie
totale devient insuffisante à régénérer le défaut.
On regroupe sous le terme "extrusion" tout procédé
thermomécanique permettant de transformer une matière plastique au sens
mécanique du terme en un film autosupporté ou non, via une technique de
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compression, passage par une filière, et éventuellement étirage et/ou
réticulation et/ou dépôt sur un substrat.
On regroupe sous le terme "enduction" tout procédé de dépôt d'un
film fluide sur un substrat, suivi généralement d'un séchage et éventuellement
d'une réticulation, pour obtenir un film autosupporté ou non.
On appelle "condensateur bobiné" tout condensateur film obtenu
par bobinage d'une structure "SPCE 1 / Couche diélectrique 1 / SPCE 2 / Couche
diélectrique 2" sur elle-même. Il est à noter que les couches diélectriques 1
et 2
peuvent être réellement constituées de plusieurs films diélectriques distincts
bobinés en parallèle. "SPCE 1" et "SPCE 2" constituent alors les deux pôles
électriquement isolés du condensateur.
On appelle "condensateur stacké" (en anglais "stacked capacitor")
ou "condensateur empilé", tout condensateur film obtenu par empilement d'une
structure "SPCE 1 / Couche diélectrique 1 / SPCE 2 / Couche diélectrique 2"
sur
elle-même. Il est à noter que les couches diélectriques 1 et 2 peuvent être
réellement constituées de plusieurs films diélectriques distincts empilés les
uns
sur les autres. "SPCE 1" et "SPCE 2" constituent alors les deux pôles
électriquement isolés du condensateur.
On étend ces deux dernières appellations au concept de
"condensateur multipistes" (bobiné ou "stacké") pour lequel une ou plusieurs
SPCE
intermédiaires, isolées tes unes des autres ainsi que de SPCE 1 et SPCE 2, et
coplanaires à SPCE 1 ou SPCE 2, sont introduites dans la structure de telle
sorte
que chaque SPCE intermédiaire appartient à deux condensateurs et assure de
proche en proche la mise en série de l'ensemble des condensateurs ainsi formés
entre les pôles principaux SPCE 1 et SPCE 2.
L'intérêt d'une structure multipistes est d'optimiser la mise en série
de condensateurs au sein même d'une structure bobinée ou "stackée" et donc,
sans avoir à ajouter des moyens de conditionnement ou de connectique
supplémentaires.
On remarquera que dans le cas où il y a un nombre impair de SPCE
intermédiaires, SPCE 1 et SPCE 2 deviennent coplanaires dans ta mesure où ils
désignent les deux pôles du condensateur multipistes.
Enfin, dans un condensateur bobiné, il existe plusieurs moyens de
contrôler la pression de bobinage afin de garantir un bon plaquage des films
bobinés tes uns sur les autres.
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Le premier est d'utiliser un rouleau presseur qui appuie avec une
pression constante sur la bobine à l'endroit du bobinage. Cette pression est
égale
à la pression de bobinage et est constante sur l'ensemble de l'enroulement.
Le deuxième est de contrôler ta pression de bobinage de chaque
film bobiné par la tension de bobinage (via la force de traction exercée sur
le
film) et l'angle de bobinage (appelé aussi "angle d'embarrage"). La pression
de
bobinage est alors liée aux caractéristiques mécaniques de chaque film bobiné,
ainsi qu'au rayon de bobinage, et varie donc non seulement d'un film bobiné à
l'autre, mais également au travers de l'enroulement.
Dans l'ensemble de la présente demande, y compris les
revendications, la couche diélectrique est en matériau polymère ou à base de
matériau polymère (c'est-à-dire constitué d'une matrice polymère renfermant
des inclusions de nature organique et/ou minérale). En tout état de cause, on
exclut l'usage de matériaux exclusivement minéraux.
Des exemples de matériaux constitutifs de cette couche
diélectrique sont données dans les documents US-A-2016/0254092 et
WO A 2016/073522.
Avantageusement, les diélectriques parasites sont de nature
gazeuse (tel que l'air, un gaz neutre, etc.), liquide (tel qu'une huile
minérale ou
organique, de l'eau, etc.) ou solide (tel qu'un polymère, des poussières
minérales, une matière organique telle que de la graisse, etc.)
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Un premier objet de la présente invention est un condensateur
film à très haute capacité [CFTHC].
Un exemple d'un tel CFTHC 1 est représenté à la figure 1 annexée.
Ce condensateur 1 est formé d'au moins un film diélectrique 100,
également appelé couche (en l'occurrence, un seul film 100a est représenté
ici), qui sépare une première structure porteuse de charges 200 (en abrégé
SPCE), d'une deuxième structure porteuse de charges 300.
Sur les figures, les SPCE 200 et 300 ont été représentées de telle
manière qu'elles ne sont pas intégralement en regard l'une de l'autre. Cela
constitue une représentation accentuée de ce qui se passe en réalité. En
effet,
même s'il existe généralement un décalage pour éviter les arcs électriques en
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bord de métallisation, ce décalage est bien moins grand que celui qui est
représenté.
Idéalement, les zones d'interface entre le film diélectrique 100a et
les deux SPCE sont dénuées de toute imperfection, de sorte que leur adhésion
est
parfaite.
Mais cela ne représente qu'un cas théorique.
Dans la pratique et comme illustré à la figure 3, les faces en
regard du film 100a et des deux SPCE sont irrégulières, de sorte qu'elles sont
séparées localement par au moins une épaisseur de diélectrique parasite.
En se reportant maintenant à la figure 4, on a représenté à simple
titre d'exemple, deux zones Z1 et Z2 où l'on a affaire à au moins une
épaisseur de
diélectrique parasite.
Ainsi, ta zone Z1 se situe à l'interface entre le film 100a et la SPCE
supérieure 200.
On y voit une première épaisseur de diélectrique parasite 400a
intercalée entre une saillie présente à la surface de la SPCE 200 et un creux
à la
surface du film 100a.
On y distingue également, mais à un autre endroit, deux épaisseurs
successives 400b et 400c au niveau de l'interface.
Quant à la zone Z2, elle se situe à l'interface entre te film 100a et
ta SPCE inférieure 300.
On y voit une première épaisseur de diélectrique parasite 500a
intercalée entre une saillie présente à la surface du film 100a et un creux à
la
surface de la SPCE 300.
On y distingue également, mais à un autre endroit, deux épaisseurs
successives 500b et 500c au niveau de l'interface.
Il s'agit bien sûr de vues d'artiste très simplifiées données à titre
d'illustration. Ni la géométrie (largeur, épaisseur, forme, etc.), ni la
position à
l'interface, ni la constitution (une ou deux épaisseurs de diélectrique
parasite) ne
sont représentatives de la réalité.
Ces épaisseurs peuvent être constituées d'air et/ou de corps
étrangers qui peuvent avoir une répercussion néfaste sur les paramètres du
CFTHC ainsi constitué.
Or, le présent demandeur a mis en avant le fait qu'il est possible
d'obtenir un CFTHC de qualité pour autant que le film diélectrique 100a
présente
les paramètres suivants :
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une permittivité diélectrique relative [e] telle que E 10,
une épaisseur [e] telle que 0.05 pm 50 pm,
une rigidité diélectrique [E] telle que E k 50 V/prn,
et que
5
A/ l'interface entre le film diélectrique 100a et la première
structure 200 réponde aux exigences suivantes :
- la portion de la surface en regard S où ladite première structure
200 est directement en contact avec ledit film diélectrique 100a est
supérieure à
10 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où le film diélectrique
100a n'est pas directement en contact avec ladite première structure 200,
elles
sont séparées localement par N épaisseurs (avec Nk 1) de diélectriques
"parasites" 400a, ..., 400c, chaque épaisseur présentant une permittivité
15 diélectrique relative [EpJ] et une rigidité diélectrique [Ep] qui vérifient
la
relation :
er) Ep' E
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la
"j'èµ"" épaisseur, avec 1 <j 5_ N,
B/ l'interface entre le film diélectrique 100 et la deuxième
structure 300 réponde aux exigences suivantes :
- la portion de la surface en regard S où ladite deuxième structure
300 est directement en contact avec le film diélectrique 100 est supérieure à
90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où le film diélectrique
100 n'est pas directement en contact avec ladite deuxième structure 300, elles
sont séparées localement par M épaisseurs (avec M 1) de diélectriques
"parasites" 500a,..., 500c, chaque épaisseur présentant une permittivité
diélectrique relative [Epk] et une rigidité diélectrique [Epk] qui vérifient
la
relation :
ekg.k>eE
clp "P
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la
"klème" épaisseur, avec 1 <k <M.
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Mais dans de nombreux cas, le film diélectrique 100a n'est pas
unique et l'on a affaire alors à une couche diélectrique constituée d'une
superposition de plusieurs films 100a, 100b,..., 100i.
Aux figures 5 et 6 est représenté, d'une manière analogue aux
figures 1 et 2, un CFTHC 1 qui constitue encore un cas idéal dans lequel les
zones
d'interface entre le film diélectrique 100a de la couche diélectrique 100 et
la
SPCE 200, ainsi que les zones d'interface entre le film diélectrique 100b de
la
couche diélectrique 100 et la SPCE 300 sont dénuées de toute imperfection, de
sorte que leur adhésion est parfaite. Et il en est de même pour l'interface
entre
les deux films diélectriques 100a et 100b de la couche 100.
Dans le cas ci-dessus, seuls sont présents deux films 100a et 100b.
Mais ce qui vient d'être précisé vaut également lorsque l'on a affaire à plus
de
deux films, y compris pour toutes les zones d'interface entre deux films.
Dans ta pratique et comme illustré à la figure 7 comparable au cas
illustré à la figure 3, les faces en regard de chaque couche du film 100 et
des
deux SPCE 200 et 300 d'une part, et les faces en regard des couches du film
100
sont irrégulières, de sorte qu'elles sont séparées localement par au moins une
épaisseur de diélectrique parasite.
En se reportant maintenant à la figure 8, on a représenté à simple
titre d'exemple, trois zones 21, 22 et Z3 où l'on a affaire à au moins une
épaisseur de diélectrique parasite.
Les zones Z1 et Z2 sont similaires aux zones 21 et Z2 décrites
précédemment en référence aux figures 3 et 4.
Quant à la zone Z3, elle se situe à l'interface entre les films 100a
et 100b de la couche 100.
On y voit une première épaisseur de diélectrique parasite 600a
intercalée entre une saillie présente à la surface du film 100a et un creux à
la
surface du film 100b.
On y distingue également, mais à un autre endroit, deux épaisseurs
successives 600b et 600c au niveau de l'interface.
Il s'agit là encore de vues d'artiste très simplifiées données à titre
d'illustration. Ni la géométrie (largeur, épaisseur, forme, etc.), ni la
position à
l'interface, ni la constitution (une ou deux épaisseurs de diélectrique
parasite) ne
sont représentatives de la réalité.
Egalement dans ce cas de figure, le présent demandeur a mis en
évidence le fait qu'il est possible d'obtenir un CFTHC de qualité, ce
condensateur
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film à très haute capacité 1 comportant une couche diélectrique 100 constituée
d'au moins un film diélectrique 100a, chaque film diélectrique 100i de cette
couche diélectrique 100 présentant les paramètres suivants :
une permittivité diélectrique relative [Efl telle que Efi k 10,
une épaisseur [efl] telle que 0.05 pm ef' 50 pm,
une rigidité diélectrique [Efl telle que Ef' k 50 V/pm,
paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i 1, "i" désignant le
"ième "film diélectrique 100i de ladite couche diélectrique 100,
cette couche diélectrique 100 séparant une première SPCE 200
d'une deuxième SPCE 300, ces deux structures ayant une surface en regard S
séparée par la couche diélectrique 100,
dès lors que :
A/ l'interface entre la couche diélectrique 100 et la première
structure 200 répond aux exigences suivantes :
- la portion de la surface en regard S où ladite première structure
200 est directement en contact avec ladite couche diélectrique 100 est
supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où la couche diélectrique
100 n'est pas directement en contact avec ladite première structure 200, elles
sont séparées localement par N épaisseurs (avec N 1) de diélectriques
"parasites" 400, chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique
relative Vil et une rigidité diélectrique [Epi] qui vérifient la relation :
EpJ EpJ Min(Efi Efi)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la
"jiè"" épaisseur, avec 1 j N,
B/ l'interface entre la couche diélectrique 100 et la deuxième
structure 300 répond aux exigences suivantes :
- la portion de la surface en regard S où ladite deuxième structure
300 est directement en contact avec ladite couche diélectrique 100 est
supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface où la couche diélectrique
100 n'est pas directement en contact avec ladite deuxième structure 300, elles
sont séparées localement par M épaisseurs (avec M k 1) de diélectriques
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"parasites" 500, chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique
relative [Epk] et une rigidité diélectrique [Epl qui vérifient la relation :
cpk Epk min(Efk Efk)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la
"eme" épaisseur, avec 1 k M,
avec la condition supplémentaire suivante :
C/ quand ladite couche diélectrique 100 est constituée de plus
d'un film diélectrique 100i, alors toute interface I entre deux films
diélectriques
100a satisfait aux conditions suivantes :
- la portion de la surface en regard S où les deux films
diélectriques 100a sont directement en contact est supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface I où les deux films
diélectriques 100a ne sont pas directement en contact, ces films sont séparés
localement par PI épaisseurs (avec PI 1) de diélectriques "parasites" 600,
chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [Epl et une
rigidité diélectrique [Ep] qui vérifient la relation :
Epe Min(Ef' Et')
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "e" désigne la
" eième" épaisseur, avec 1
En d'autres termes, la conception de l'empilement qui constitue le
condensateur est faite pour que, dans la zone correspondant à la surface en
regard des deux structures porteuses de charges, au mieux 100% de la surface
d'un film diélectrique soit en contact soit avec une structure porteuse de
charges
soit avec un autre film diélectrique, pour éviter la présence de zones
diélectriques parasites aux différentes interfaces.
L'avantage d'avoir une couche diélectrique constituée de plusieurs
films diélectriques est de minimiser l'influence d'un défaut dans un film
diélectrique. En effet, il est statistiquement peu probable que N défauts se
superposent dans un empilement de N films diélectriques (N k 2). La présence
d'un défaut dans un film diélectrique n'est donc pas rédhibitoire par rapport
à
l'empilement. En présence d'un film unique, le défaut est par nature
rédhibitoire.
On décrira ci-après un procédé qui permet d'obtenir un
condensateur tel que présenté ci-dessus.
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=
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Exemple 1:
Dans le cadre de cet exemple, on prend en compte les hypothèses
suivantes :
- Le film diélectrique principal 100, de permittivité diélectrique
Ef 10, n'est pas autosupporté. Il ne peut qu'être fabriqué, par extrusion ou
enduction par exemple, selon une épaisseur 0.05 pm à 50 pm, sur une couche de
support 101.
- La couche de support 101 (figure 9) est un film diélectrique
métallisé sur au moins de ses faces, de permittivité diélectrique relative
[Et'] et
d'épaisseur [efl.
- Le film diélectrique 100 est déposé sur une face métallisée de la
couche de support 101 de telle sorte que le film diélectrique 100 soit en
contact
direct avec la face métallisée de la couche de support 101, au sens défini
plus
haut dans la description.
- Le film diélectrique principal 100, avec sa couche de support
101, est capable de subir un procédé classique de métallisation, de type
évaporation sous vide, par exemple.
Dans l'ensemble de cet exemple et sur les figures 9 à 17, les faces
métallisées sont désignées M.
Ce procédé est mis en oeuvre par une première étape de
métallisation de la face libre du film diélectrique principal 100 pour obtenir
la
configuration de base telle que définie plus haut dans la description. Ainsi,
le
film diélectrique 100 est directement en contact avec deux structures
porteuses
de charges électroniques en regard.
La figure 9 illustre le résultat de la mise en oeuvre de cette étape.
Une deuxième étape consiste à fabriquer le condensateur lui-
même. Pour cela, il faut bobiner sur lui-même le film diélectrique métallisé
100
pourvu de sa couche de support 101 ou empiler plusieurs structures identiques
de
ce type.
Le caractère diélectrique de la couche de support 101 joue alors le
rôle d'isolant complémentaire entre les deux SPCE (en l'occurrence les faces
métallisées bobinées ou empilées). Il est donc nécessaire de respecter la
relation
suivante :
ef Ef' Ef
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pour que le condensateur puisse fonctionner indépendamment de
tout claquage au travers de la couche de support 101.
Pour ce faire, une première variante consiste à utiliser une couche
5 de support 101 métallisée sur ses deux faces opposées en prenant garde de
faire
coïncider la métallisation de la face libre avec celle du film diélectrique
principal 100 (cela signifie que les métallisations sont mises en miroir l'une
de
l'autre). Ainsi, les deux faces métallisées coïncident au moment du bobinage
ou
de l'empilage, de sorte qu'elles se comportent alors comme une seule et même
10 SPCE.
On peut se reporter à ta figure 10 qui illustre le résultat de cette
première variante mise en oeuvre en opérant un empilement.
Une deuxième variante consiste à utiliser une couche de support
15 101 qui est métallisée seulement sur une face.
Dans ces conditions, la face non métallisée de la couche de
support 101 n'est a priori pas en contact direct avec la face métallisée du
film
diélectrique 100, au sens défini plus haut dans la description. Des zones
diélectriques "parasites" peuvent donc exister au niveau de l'interface.
20 Dans ce cas, il
est avantageux d'utiliser une couche de support 101
de permittivité diélectrique relative Ef' 10, tout en
respectant les principes
classiques de fabrication d'un condensateur film métallisé (traitement
thermique
par exemple).
La figure 11 illustre le résultat obtenu en mettant en oeuvre cette
deuxième variante, dans le cadre d'un empilement.
Il s'agit là encore d'une vue d'artiste très simplifiée donnée à titre
d'illustration. En particulier, l'espacement représenté est exagéré et n'est
pas
représentatif de la réalité.
Une autre variante serait de prendre les précautions suivantes :
Une première précaution est d'effectuer les opérations de
bobinage ou d'empilage sous vide (pression 5_ 10 mbar typiquement).
Une deuxième précaution, indépendante de la précédente, est
d'utiliser, à titre de couche métallisée ou en complément de celle-ci, des
feuillards métalliques poreux qui, en laissant échapper l'air au moment du
bobinage ou de l'empilage, garantiront un contact direct entre SPCE et films
diélectriques.
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Une troisième précaution, complémentaire des précédentes, est
d'assurer un bon plaquage de chaque nouvelle couche sur les précédentes lors
du
bobinage ou de l'empilage, par l'application d'une pression via un rouleau
presseur par exemple, ou par un contrôle pertinent de l'angle d'embarrage dans
la mise en oeuvre du bobinage.
Exemple 2:
Dans le cadre de cet exemple, on prend en compte tes hypothèses
suivantes :
- Le film diélectrique principal 100, de Ef 10, n'est
pas
autosupporté. Il ne peut qu'être fabriqué, par extrusion ou enduction par
exemple, selon une épaisseur de 0.05 pm à 50 pm, sur une couche de support
300.
- La couche de support 300 est un feuillard métallique.
- Le film diélectrique 100 est déposé sur au moins une face de la
couche de support 300, de telle sorte que le film diélectrique 100 soit en
contact
direct avec le film de support 300, au sens défini plus haut dans la
description.
- Le film diélectrique principal 100, avec sa couche de support
300, n'est a priori pas capable de subir de procédé classique de
métallisation.
A la figure 12 est représenté un tel film diélectrique reposant sur
un feuillard métallique 300, tandis qu'à la figure 13 est représenté la
structure de
la figure 12, reposant elle-même sur un autre film diélectrique 101.
Il apparaît assez clairement que cette dernière configuration est
très proche de la configuration précédente, si ce n'est que les films 100 et
300
sont à considérer comme une entité unique, et doit suivre les mêmes
recommandations que celle exprimées plus haut. On gagnera à utiliser comme
films 101 et 301 (figure 14), un assemblage de même nature que les films 100
et
300, ce qui permet de doubler la capacité volumique du condensateur. Ceci est
réalisé de fait si te film diélectrique 100 est déposé sur les deux faces de
la
couche de support 300, qui s'identifie alors au film 101.
A la figure 14 est représenté un empilement de plusieurs structures
telle que celle représentée à la figure 12, tandis qu'à la figure 15 est
représenté
un empilement de plusieurs structures telle que celle représentée à la figure
13.
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Dans la figure 15, la SPCE 301, qui constitue le deuxième pôle du
CFTHC, est représentée sans autre dépôt dans l'empilement, les films
diélectriques 100 et 101, chargés de l'isolation électrique entre les deux
SPCE,
étant déjà portés par l'autre SPCE 300.
De nouveau, une variante importante réside dans le fait que le film
diélectrique principal 100, avec son film support 300, est capable de subir un
procédé classique de métallisation, de type évaporation sous vide par exemple.
Cette variante suit les mêmes recommandations que celles plus haut
(recommandations décrites à la fin de l'exemple 1 - autre variante), que ce
soit
dans le cas d'une métallisation d'une face (comme le montre l'empilement de la
figure 16) ou dans te cas d'une métallisation des deux faces (comme le montre
l'empilement de la figure 17). Sur ces figures 16 et 17 comme pour la figure
24,
les couches sont représentées avec des ondulations pour représenter l'absence
d'uniformité et de régularité de leur surface. Mais encore une fois, il s'agit
simplement d'une vue de l'esprit.
Dans les exemples qui ont été décrits plus haut, on a pris le cas
dans lequel le film diélectrique principal n'était pas autosupporté.
Or, on peut aussi fabriquer un condensateur film conforme à
l'invention, avec un film diélectrique principal qui est autosupporté.
Cet aspect sera décrit en détail ci-après, en référence aux figures
18 et suivantes.
Exemple 3 :
Dans le cadre de cet exemple, on prend en compte les hypothèses
suivantes :
- Le film diélectrique principal 100, de Ef k 10, est autosupporté. IL
peut être fabriqué, par extrusion ou enduction par exemple, selon une
épaisseur
de 0.05 pm à 50 pm.
- Le film autosupporté est capable de subir un procédé classique
de métallisation, de type évaporation sous vide par exemple.
Le procédé est mis en uvre par une première étape de
métallisation des deux faces d'un film autosupporté 100 pour obtenir la
configuration de base telle que définie plus haut dans la description. Ainsi,
le
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film diélectrique est directement en contact avec deux structures porteuses de
charges électroniques en regard.
La figure 18 illustre le résultat de la mise en uvre de cette
étape.
Sur cette figure et les suivantes, les couches de métallisation sont
référencées M.
Une deuxième étape consiste à fabriquer le condensateur lui-
même. Pour cela, il est nécessaire de bobiner le film diélectrique métallisé
sur
ses deux faces 100 ou empiler plusieurs structures identiques de ce type. Il
est
toutefois nécessaire d'isoler les deux faces métallisées l'une de l'autre lors
du
bobinage ou de l'empilage, par l'introduction d'un deuxième film diélectrique
200.
Pour ce faire, une première variante consiste à utiliser un film
diélectrique 200 métallisé sur ses deux faces en prenant garde de faire
coïncider
les faces métallisées (de telle sorte que les films sont mis en miroir l'un de
l'autre). Ainsi, les deux faces qui coïncident au moment du bobinage ou de
l'empilage agissent alors comme une seule et même SPCE.
Dans ce cas, on prendra avantage du fait qu'utiliser des films 100
et 200 de même nature permet de doubler la capacité volumique du
condensateur.
En revanche, si l'on utilise un film diélectrique 200 de nature
différente (d'épaisseur [efl, et de rigidité diélectrique [Efl), il faudra
alors
obligatoirement respecter la règle suivante :
ef Ef' > ef Ef
de telle sorte que le condensateur puisse fonctionner
indépendamment de tout claquage au travers du deuxième film diélectrique 200.
On peut se reporter à la figure 19 qui illustre le résultat de cette
première variante mise en uvre dans le cadre d'un empilement.
Une deuxième variante consiste à utiliser un film diélectrique 100
métallisé sur une seule face en prenant garde de faire coïncider la face
métallisée avec l'une de celles du film diélectrique 100. Ainsi, la
métallisation du
film diélectrique 200 est mise en miroir avec l'une des métallisations du film
diélectrique 100, et les deux faces coïncidentes au moment du bobinage ou de
l'empilage agissent alors comme une seule et même SPCE.
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Cependant, la face non métallisée du film diélectrique 200 n'est a
priori pas en contact direct avec la deuxième face métallisée du film
diélectrique 100, au sens défini plus haut dans la description. Des zones
diélectriques "parasites" peuvent donc exister à l'interface.
Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un film diélectrique 200 de
permittivité diélectrique relative cf' 10 tout en
respectant les principes
classiques de fabrication d'un condensateur film métallisé (traitement
thermique
par exemple).
On peut se reporter à la figure 20 qui illustre le résultat de cette
deuxième variante mise en oeuvre dans le cadre d'un empilement.
Il s'agit là encore d'une vue d'artiste très simplifiée donnée à titre
d'illustration. En particulier, l'espacement représenté est exagéré et n'est
pas
représentatif de la réalité.
Une autre variante serait d'utiliser les principes présentés plus
haut, à la fin de l'exemple 1.
Une troisième variante consiste à utiliser un film diélectrique 200
non métallisé.
Dans ce cas, aucune des faces du film diélectrique 200 n'est a
priori en contact direct avec les faces métallisées du film diélectrique 100,
au
sens défini plus haut dans la description. Des zones diélectriques "parasites"
peuvent donc exister à chaque interface.
Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un film diélectrique 200 de
permittivité diélectrique relative cf' 10 tout en
respectant les principes
classiques de fabrication d'un condensateur film métallisé (traitement
thermique
par exemple). Le résultat de la mise en uvre de cette variante est illustré à
la
figure 21, avec les mêmes réserves de représentativité que celles relevées à
la
figure 20.
Une autre variante serait d'utiliser les principes présentés plus
haut, à la fin de l'exemple 1.
Exemple 4:
Dans le cadre de cet exemple, on prend en compte les hypothèses
suivantes :
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Le film diélectrique principal 100, de Cf k 10, est autosupporté. On
peut fabriquer des films de ce matériau, de 0.05 pm à 50 pm d'épaisseur [ef],
par
extrusion ou par enduction par exemple.
Le film diélectrique principal 100 n'est a priori pas capable de subir
5 un procédé classique de métallisation.
Le procédé est alors réalisé par bobinage (pour la version
condensateur bobiné) ou par empilage (pour la version condensateur stacké) :
- d'un premier feuillard métallique 300 qui constitue la première
SPCE,
10 - d'un premier film diélectrique principal 100,
- d'un deuxième feuillard métallique 400 qui constitue la deuxième
SPCE,
- d'un deuxième film diélectrique 200 (d'épaisseur [ef'], et de
rigidité diélectrique [Efl) pour isoler les deux SPCE.
15 Dans le cas d'un empilement, on obtient alors une structure
telle
que celle représentée à la figure 22.
Il est avantageux d'utiliser des films 100 et 200 de même nature,
ce qui permet de doubler la capacité volumique du condensateur. Si l'on
utilise
20 un film diélectrique 200 de nature différente (d'épaisseur [ef'], et de
rigidité
diélectrique [Efl), il faudra obligatoirement respecter la règle suivante :
ef Ef' ef Ef
de telle sorte que le condensateur puisse fonctionner
indépendamment de tout claquage au travers du film diélectrique 200.
25 Une autre possibilité est d'utiliser les principes présentés
plus
haut, à la fin de l'exemple 1.
Une variante est envisageable quand le film diélectrique principal
100 est capable de subir un procédé classique de métallisation, de type
évaporation sous vide par exemple.
En effet, l'utilisation d'une configuration condensateur tout film
peut être rendue nécessaire si la puissance demandée par l'application est
trop
importante pour être transportée par une simple métallisation.
Dans ce cas, le procédé selon l'invention est réalisé par
métallisation des deux faces du film diélectrique principal 100 pour obtenir
la
configuration de base telle que définie plus haut dans la description. Ainsi,
un
film diélectrique est directement en contact avec deux SPCE en regard.
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Le procédé issu de cette étape est représenté à la figure 23.
Une deuxième étape consiste à fabriquer le condensateur lui-
même. Pour cela, il suffit d'appliquer le procédé décrit ci-dessus.
Dans le cas d'un empilement, on obtient alors une structure telle
que celle représentée à la figure 24. Cependant, dans la mesure où chaque face
métallisée va être en contact électrique avec un feuillard métallique, les
SPCE
finales sont constituées du dépôt métallique et du feuillard métallique en
contact. Le film diélectrique principal reste donc bien en contact direct avec
les
deux SPCE.
A titre de remarque, la métallisation des deux faces du film
diélectrique 200 est recommandée mais non nécessaire en fonction de sa nature.
De même, on peut envisager un procédé mixte où seule une face du film
diélectrique principal 100 serait métallisée. Il faut dans ce cas suivre les
précautions requises par le plus contraignant des procédés envisagés.
Remarques générales :
Les techniques connues inhérentes à la sécurisation des
condensateurs à film métallisé (métallisation haute résistivité, métallisation
à
résistivité variable, métallisation avec fusibles intégrés, etc.) sont
applicables
avantageusement à l'ensemble des configurations à film métallisé décrites ci-
dessus, sans pour autant avoir besoin d'être détaillées spécifiquement.
Cependant, ces techniques peuvent permettre de diminuer le seuil
de 90% de contact direct ou autoriser la présence, dans les zones hors contact
direct, de diélectriques ne vérifiant pas les conditions définies plus haut.
Ce
faisant, il y aura des claquages localisés sur l'ensemble des zones en
question.
Mais, sous réserve d'un dimensionnement correct des sécurités, ces claquages
devraient être eux-mêmes sécuritaires. La conséquence est un isolement
électrique de fait des zones en question et l'obtention d'une configuration
idéale
avec 100% de contact direct entre film diélectrique et SPCE. Cela se fait au
détriment de la surface connectée en regard, qui aura diminué de la surface
totale des zones mises en sécurité.
La technique connue inhérente à la sécurisation des condensateurs
à film métallisé qui utilise des fusibles intégrés dans la métallisation
fonctionne
sur le principe d'une adéquation entre l'énergie localement stockée dans le
condensateur (c'est-à-dire dans un environnement raisonnablement proche d'un
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point de vue électrique du fusible) et l'énergie nécessaire pour faire
fonctionner
(c'est-à-dire démétalliser) ledit fusible et, éventuellement, la zone
environnante.
Une telle technique n'est pas applicable dans un condensateur tout film
traditionnel, c'est-à-dire utilisant un isolant diélectrique de permittivité
relative
ef peu élevée (Ef < 10).
En effet, l'énergie localement disponible reste trop faible par
rapport à l'énergie qui serait nécessaire pour faire fondre un fusible conçu
dans
la feuille métallique qui sert de SPCE. Ce n'est plus le cas dans un CFTHC où
la
permittivité relative élevée de l'isolant électrique (ef ?_ 10) permet
d'augmenter
significativement la densité d'énergie stockée.
On peut donc imaginer des condensateurs tout film, constitués
selon les configurations décrites ci-dessus, et utilisant une ou plusieurs
SPCE 300
et/ou 400 comportant des fusibles directement intégrés, comme ils le seraient
pour une métallisation. Les techniques de fabrication des fusibles seront
évidemment différentes. On peut envisager les techniques suivantes :
1/ enlèvement de matière depuis une feuille métallique pleine, la
matière restante constituant les fusibles :
- par vaporisation du métal par laser ou autre,
- par poinçonnage ou perçage mécanique du métal,
- par dissolution ou attaque chimique du métal,
2/ ajout de matière à une feuille métallique pleine, une partie de
la matière ajoutée constituant les fusibles :
- par soudure ou brasage, éventuellement par ponts qui pourront
jouer le rôle de fusibles, ou toute autre technique d'association physique,
- par clinchage, matriçage ou toute autre technique d'association
mécanique,
cette liste n'étant pas exhaustive.
Les techniques connues inhérentes à la fabrication d'un
condensateur (respect d'une marge, d'un décalage de film éventuel, utilisation
d'un bord à découpe ondulée, métallisation par projection, traitement
thermique, connectique, mise en boîtier, déverminage sous tension, système de
déconnexion en cas de surpression, etc.) sont applicables avantageusement à
l'ensemble des configurations décrites ici.
Il est clair que l'ensemble de ce qui est présenté dans la présente
demande peut s'appliquer à une couche diélectrique constituée de plusieurs
films
diélectriques et non d'un film diélectrique unique, sous réserve de respecter
un
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contact direct, au sens défini plus haut, à chaque interface dans la couche
diélectrique.
