FR2734395A3 - Film dielectrique metallise, et condensateur auto-cicatrisant realise a partir d'un tel film - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un film diélectrique métallisé (10), qui comprend au moins un premier bord isolant (20A) et une surface (30) de matière électriquement conductrice qui se termine dans des régions (40) à métallisation généralement épaisse qui correspondent à la partie terminale du substrat (20) et est divisée en premiers et deuxièmes secteurs (51, 52) isolés partout, sauf à des éléments fusibles électriquement conducteurs (60). Les secteurs sont obtenus en formant trois séries de "segments" (11, 12, 15) en matière diélectrique. Les premiers et les troisièmes (11 et 15) segments sont parallèles entre eux, et les deuxièmes sont en oblique, au moins un premier secteur (51) étant en outre connecté à deux des deuxièmes secteurs (52) par au moins deux éléments fusibles électriquement conducteurs (60) disposés en correspondance avec les deuxièmes "segments" (12).
Description
La présente invention concerne un film diélectri-
que métallisé utilisé pour former des condensateurs
électriques de puissance.
On connaît un condensateur formé d'un film diélectrique à surfaces métallisées qui peut isoler une zone éventuelle de défauts dans le cas d'une défaillance du diélectrique qui se produit à des emplacements o des défauts structurels sont présents dans ce dernier. On appelle généralement "auto-cicatrisant" un condensateur de ce type parce que l'énergie libérée par suite de la décharge enlève la métallisation qui l'entoure de façon à
isoler la zone du court-circuit, ce qui permet au condensa-
teur de continuer à fonctionner, bien que sa capacité soit inférieure à sa capacité disponible dans des conditions
normalisées de fonctionnement.
Par ailleurs, dans un condensateur de puissance, des courants intenses de courte durée peuvent faire fondre la zone de contact entre la partie métallisée du film diélectrique et les parties terminales en métal appliqué
par pulvérisation destinées à former les contacts. Généra-
lement, cette fusion commence aux points les plus faibles et se poursuit jusqu'à ce que les parties terminales de l'élément capacitif soient totalement déconnectées, et il peut apparaître des effets thermiques éventuellement dangereux qui conduisent à la destruction complète du composant. Dans certains cas, de haute tension et/ou de haute capacité par exemple, cette décharge peut être suffisamment violente pour endommager le diélectrique du condensateur dans plusieurs couches successives. Alors, le mécanisme auto-cicatrisant ne fonctionne plus correctement, et le résultat est l'apparition d'une grande région de matière fondue autour de la zone de décharge, ce qui conduit en un bref laps de temps à la destruction du composant. Afin de réduire les effet délétères qui dérivent d'une décharge à haute énergie, le film peut être divisé en "segments" qui réduisent l'énergie emmagasinée par un
condensateur élémentaire, comme décrit dans le document EP-
A-0 056 010. Afin de rendre plus fiable le mécanisme d'intervention, la partie terminale du film, qui consiste en métal appliqué par pulvérisation, peut être sensiblement
réduite de façon à créer des canaux électriquement conduc-
teurs, et fusibles, qui peuvent isoler plus facilement le "segment" dans le cas d'un défaut interne. Des variantes de solutions incluent une division de revêtement métallique du film en zones nombreuses de configurations diverses, limitées par une matière isolante, et connectées entre elles par des éléments conducteurs fusibles, comme dans le cas précédent. Ces zones peuvent être en forme de mosaïque, comme décrit dans les documents DE-A-4 010 753, FR-A-2 651 602 et EP-A-0 611 179, ou bien le profil peut être crénelé,
comme décrit dans le document EP-A-0 438 344.
Diviser le condensateur en un certain nombre d'éléments condensateurs connectés entre eux par des fusibles, c'est-à-dire utiliser un film segmenté plutôt qu'un film en mosaïque ou crénelé, offre l'avantage d'empêcher une destruction complète du composant qui tend alors à réduire, en cas de défaillance, sa capacité jusqu'à être isolant, en produisant une légère quantité de gaz, mais sans fusion ni d'une combustion de film, ce qui réduit aussi le risque d'explosion. Cependant, dans de tels dispositifs, les pertes par effet Joule tendent à être plus élevées que dans la solution classique. Dans ce cas, le condensateur ne peut donc généralement pas tolérer le
passage d'un courant de haute intensité.
C'est un but de la présente invention que de réaliser un film diélectrique métallisé utilisable en tant qu'électrode conductrice d'un condensateur de puissance du type auto-cicatrisant qui remédie aux inconvénients qui dérivent du film mentionné ci-dessus, c'est-à-dire de réaliser un film diélectrique métallisé qui, d'une part soit fiable en ce qui concerne la rétention d'un passage de courant pulsé, et donc fiable en ce qui concerne un risque d'explosion, et qui d'autre part maintienne suffisamment basses les pertes par effet Joule par rapport au condensa-
teur auto-cicatrisant classique.
C'est un autre but que de réaliser un condensa-
teur de puissance dont la réduction de capacité, en cas de dommage local dû à une décharge, soit moindre, toutes conditions égales d'ailleurs, que la réduction de capacité
observée dans un condensateur auto-cicatrisant classique.
C'est un autre objet que de rendre simple et économique la formation du film diélectrique métallisé et la fabrication d'un condensateur correspondant, sans exiger
l'utilisation d'une technologie complexe.
Ces buts sont atteints par un film diélectrique métallisé, du type qui comprend au moins un substrat de matière diélectrique, au moins un premier bord isolant et une surface de matière électriquement conductrice qui se termine dans des régions à métallisation généralement
épaisse qui correspondent à la partie terminale du subs-
trat, dans lequel ladite surface en matière électriquement conductrice est divisée en une pluralité de premiers secteurs et de deuxièmes secteurs qui sont isolés les uns
des autres partout, sauf à des éléments fusibles électri-
quement conducteurs, caractérisé en ce que les premiers secteurs et les deuxièmes secteurs sont obtenus en formant une pluralité de "segments" qui consistent en matière diélectrique, parmi lesquels: - une première série consiste en des premiers "segments" parallèles entre eux de même longueur, qui sont positionnés chacun d'une manière telle qu'une première extrémité est au contact de ladite région à métallisation épaisse; - une deuxième série consiste en des deuxièmes "segments" dont au moins deux comportent une première extrémité commune entre eux et commune avec la deuxième extrémité d'au moins l'un desdits premiers "segments" de façon à former trois angles; - une troisième série consiste en des troisièmes "segments" de même longueur, parallèles entre eux et parallèles aux premiers "segments", en étant disposés en alternance avec ceux-ci, et positionnés chacun, par rapport à un axe horizontal géométrique qui divise le film en deux parties, sur le côté opposé auxdits premiers "segments", une première extrémité desdits troisièmes "segments" étant au contact du bord isolant, la deuxième extrémité d'au moins l'un de ces troisièmes "segments" étant commune avec la deuxième extrémité d'au moins deux des deuxièmes "segments" de façon à former trois angles; au moins l'un desdits premiers secteurs étant
connecté à deux desdits deuxièmes secteurs par l'intermé-
diaire d'au moins deux éléments fusibles électriquement conducteurs disposés en correspondance avec lesdits
deuxièmes "segments".
La configuration des premiers secteurs et des
deuxièmes secteurs peut être pentagonale.
De préférence, la distance entre le contact électrique de la région de métallisation plus épaisse et la deuxième extrémité des troisièmes "segments" est inférieure
à la moitié de la largeur totale du film.
La longueur des premiers "segments" peut en outre, de façon avantageuse, être inférieure à la distance entre le contact électrique de la région de métallisation plus épaisse et la deuxième extrémité des troisièmes "segments". De préférence encore, la distance entre les éléments fusibles électriquement conducteurs et les contacts électriques de la région de métallisation plus épaisse peut être supérieure à la longueur des premiers "segments" La première extrémité des premiers "segments" peut en outre être insérée dans l'intérieur de la région à
métallisation plus épaisse.
On peut aussi prévoir que ledit premier bord isolant est enlevé, que ladite région à métallisation plus épaisse est remplacée par un deuxième bord isolant, et que le film formé de cette manière est couplé à au moins un
deuxième film du même type et présentant les mêmes caracté-
ristiques structurelles et fonctionnelles,et à au moins un film diélectrique métallisé du type auto-cicatrisant, de façon à obtenir un circuit électrique équivalent à des
condensateurs reliés en série.
Le film peut en variante être couplé à au moins un deuxième film diélectrique métallisé du même type et présentant les mêmes caractéristiques structurelles et fonctionnelles, de façon à obtenir un circuit électrique
équivalent à des condensateurs reliés en série.
Selon un autre aspect, l'invention atteint ses
buts en réalisant un condensateur du type auto-cicatri-
sant, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un film diélectrique métallisé présentant l'une au moins des
caractéristiques précitées.
De façon avantageuse, les éléments fusibles électriquement conducteurs sont situés à distance de la région à métallisation plus épaisse qui forme l'électrode de contact du condensateur. Pour assurer une compatibilité avec les exigences du processus de dépôt des couches, ces dernières sont positionnées en correspondance avec les zones de matière conductrice à travers lesquelles passe un courant de faible intensité. Ces zones sont identifiées au moyen d'expériences en laboratoire, en tenant compte des diagrammes d'écoulement des courants qui passent entre les électrodes conductrices. On parvient de cette manière à réduire, par rapport à l'art connu, les pertes par effet
Joule à l'intérieur du condensateur élémentaire.
La surface de la matière conductrice qui revêt le film diélectrique est divisée en secteurs de façon que les éléments fusibles agissent pour isoler un secteur de film si plusieurs couches diélectriques sont perforées, mais non à la suite de décharges auto-cicatrisantes. Le choix de la géométrie des secteurs de l'électrode conductrice est déterminé par le résultat des expériences conduites sur des essais menés en laboratoire quant aux comportements des
éléments conducteurs fusibles après le passage du courant.
Tout ceci, combiné avec le fait que la réduction de la capacité du condensateur due à la décharge est moindre, pour des conditions égales, que celle qui est observée dans les condensateurs constituée d'un film segmenté ou en mosaïque de l'état de l'art, rend l'invention sensiblement fiable, même pour des condensateurs de puissance qui fonctionnent avec des forts courants. Finalement, en étendant la segmentation de la matière conductrice jusqu'à la région à métallisation plus épaisse des contacts, une fusion qui se produirait dans cette région en cas de défaillance, en commençant en un point unique, est empêchée de se propager sur toute la longueur du film, ce qui permet
une meilleure rétention des courants pulsés.
Les buts, particularités et avantages de la présente invention exposés ci-dessus ainsi que d'autres,
ressortiront mieux de la description d'un mode de réalisa-
tion de cette dernière, donnée à titre d'exemple non
limitatif, en se référant aux dessins annexés dans les-
quels: - la Figure 1 est une vue en plan schématique d'une partie d'un film diélectrique métallisé selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en plan schématique d'une partie d'un deuxième mode de réalisation du film de
la Figure 1 qui peut former, en combinaison avec la struc-
ture de la Figure 3, un circuit électrique équivalent à deux condensateurs en série; - la Figure 3 est une vue en plan schématique d'une partie d'un film diélectrique métallisé non segmenté, utilisé comme électrode conductrice à l'intérieur d'un condensateur auto- cicatrisant de puissance selon l'art connu; - la Figure 4 est une vue en plan schématique d'une partie d'un troisième mode de réalisation d'un film diélectrique métallisé selon l'invention; - la Figure 5 est une vue en perspective de la
partie de film diélectrique métallisé de la Figure 1.
En se référant aux Figures 1 et 5, le film diélectrique métallisé selon l'invention est désigné dans son ensemble par 10 et comprend un substrat 20 en matière diélectrique, un bord isolant 20A et une surface 30 en matière électriquement conductrice. Le bord isolant 20A est habituellement en matière plastique ou en papier. La surface 30 se termine dans des régions 40 à métallisation plus épaisse, en correspondance avec les parties terminales formées de métal appliqué par pulvérisation o sont disposées les électrodes de contact du condensateur. Cette
surface 30 est divisée en secteurs 51, 52 ici de configura-
tion sensiblement pentagonale. Les secteurs 51, 52 sont obtenus en formant des "segments" 11, 12, 15 qui sont tous
constitués de matière diélectrique.
Des "segments" 11 d'une première série, qui sont tous parallèles entre eux, isolent les uns des autres les secteurs 51. Chaque "segment" 11 est agencé en contact avec la région 40 à métallisation plus épaisse, et s'étend vers l'intérieur de la surface conductrice 30 jusqu'à un sommet 14 o deux autres "segments" 12 se rencontrent. Ces deux "segments" 12 et le "segment" 11 se rencontrent ainsi au
sommet 14 en formant trois angles sensiblement égaux.
Des "segments" 15 d'une deuxième série, parallè-
les entre eux et parallèles aussi aux "segments" 11, isolent les uns des autres les secteurs 52, et sont situés au contact du bord isolant 20A. Par rapport à un axe horizontal géométrique 16 qui divise le film en deux parties, les "segments" 15 sont situés sur le côté opposé aux premiers "segments" 11, et chaque "segment" 15 est situé dans une position intermédiaire entre deux "segments"
11 consécutifs. Le "segment" 15 rencontre les deux "seg-
ments" 12 à un sommet 21 en formant trois angles sensible-
ment égaux.
Chaque secteur 51 est connecté à deux secteurs 52 au moyen de deux éléments conducteurs fusibles 60 qui interviennent dans le cas d'une décharge pour isoler d'un passage du courant le secteur particulier 51, 52 impliqué dans le défaut. Les éléments conducteurs fusibles 60 sont situés sensiblement au centre des "segments" 12 et sont espacés de la région 40 à métallisation plus épaisse pour réduire des pertes par effet Joule lorsque le courant passe. La distance entre le sommet 21 et le bord supérieur de la région 40 à métallisation plus épaisse est ici inférieure à la moitié de la largeur totale du film 10, qui est désignée par "h" aux Figures 1 et 5, et qui comprend la largeur du bord isolant 20A, la largeur de la surface 30 et la largeur de la région 40 à métallisation plus épaisse. La
distance entre le bord inférieur de la région 40 à métalli-
sation plus épaisse et le sommet 14 de chaque secteur 51 est en outre inférieure à la moitié de la largeur totale
"h" du film 10.
En prolongeant dans la région 40 à métallisation plus épaisse du film 10 la matière diélectrique qui constitue les "segments" 11 des secteurs 51, on évite qu'une fusion de cette région 40 qui commencerait en un point ne puisse se propager et s'étendre sur toute la longueur de l'électrode conductrice du condensateur. Ceci augmente aussi la fiabilité du film 10 vis-à-vis d'un risque d'explosion dans le cas de forts courants du type pulsé. Le revêtement en matière conductrice de la surface est habituellement obtenu en déposant des couches métalliques, tandis que la segmentation des secteurs 51, 52 et la formation des ponts conducteurs fusibles 60 sont habituellement réalisées par une ablation localisée ou
pendant la métallisation.
La fabrication du condensateur correspondant consiste à superposer deux films diélectriques métallisés 10 d'une manière telle que le substrat 20 et la région de métallisation plus épaisse 40 sont inversés l'un par rapport à l'autre et sont légèrement déportés dans la direction verticale. Les films 10 formés de cette manière sont roulés l'un avec l'autre le long du côté court. On obtient ainsi un cylindre qui constitue l'élément capacitif réel. Le film diélectrique métallisé de la Figure 1 peut aussi être employé de façon avantageuse lorsqu'il faut
utiliser deux condensateurs reliés en série ou davantage.
On obtient un circuit électrique équivalent à deux conden-
sateurs en série en assemblant idéalement la partie de film désignée par 80 à la Figure 2, le long d'un axe géométrique 17 positionné sensiblement le long du milieu du film 25, à une deuxième partie de film 80' dont les caractéristiques structurelles sont les mêmes que celles de la partie de film 80, et en combinant la structure 25 ainsi obtenue avec le film diélectrique métallisé 90 de la Figure 3. La structure 25 est conçue pour fonctionner à une différence
de potentiel égale à la moitié de la différence de poten-
tiel utilisée pour le fonctionnement du condensateur dont
le film 10 de la Figure 1 est l'électrode conductrice.
En se référant aux Figures 2 et 3, on désigne par 'A le bord isolant, par 30' le revêtement de matière
électriquement conductrice, par 40' la région à métallisa-
tion plus épaisse qui contient les contacts, et par 12' les "segments" des secteurs 51', 52' de la structure 25, auxquels sont associés des éléments conducteurs fusibles '.
Un circuit électrique équivalent à deux condensa-
teurs en série peut également être réalisé en couplant idéalement deux parties de film diélectrique métallisé 10, " le long d'un axe imaginaire 19 comme représenté à la Figure 4. En se référant à cette figure, on désigne par 26 une partie de film formant un ensemble selon ce mode de réalisation, par 20"A le bord de la matière isolante, par " la surface revêtue d'une matière conductrice et par 40" la région à métallisation plus épaisse, siège des contacts du condensateur. Les éléments désignés par 11", 12", 14",
21", 51", 52", 60" sont analogues aux éléments respective-
ment désignés par 11, 12, 14, 21, 51, 52, 60 à la Figure 1 et aux éléments désignés par 11', 12', 14', 15', 21', 51',
52', 60' à la Figure 2, et ils possèdent les mêmes caracté-
ristiques structurelles et fonctionnelles.
Les caractéristiques du film diélectrique métal-
lisé de la présente invention ainsi que les avantages qui
en résultent ressortent clairement de la description
précédente. Les films diélectriques métallisés 10, 25, 26 selon la présente invention sont particulièrement adaptés à la fabrication de condensateurs de puissance dans lesquels passent des courants intenses de courte durée qui peuvent faire fondre la zone de contact entre les régions à métallisation plus épaisse 40, 40', 40" et le métal appliqué par pulvérisation sur les parties terminales pour
former les contacts.
La structure sectorielle 51', 52', 51", 52" peut
aussi être utilisée avec les films 25, 26 pour des conden-
sateurs de puissance reliés en série, en utilisant le
procédé de la présente invention pour des films diélectri-
ques métallisés 25, 26, soumis à une tension égale à la moitié de la tension utilisée pour un condensateur unique,
le deuxième film qui forme l'une des électrodes conductri-
ces du condensateur étant un film diélectrique métallisé non segmenté 90. Au cours d'essais en laboratoire, on a noté expérimentalement que les fusibles 60" peuvent être positionnés dans ce cas le long des "segments" isolants 12", en effectuant une ablation de la matière conductrice " et, en particulièrement, sensiblement en une position centrale, de manière à réduire considérablement les pertes
par effet Joule.
Des modifications pourront être apportées au mode de réalisation de la présente invention sans s'écarter des principes sur lesquels est basée l'idée de l'invention et, en outre, les matières et les dimensions pourront être
choisies en fonction des exigences dans la mise en oeuvre pratique de l'invention.
Claims (9)
1. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26), du type qui comprend au moins un substrat (20, 20', 20") de matière diélectrique, au moins un premier bord isolant (20A, 20'A, 20"A) et une surface (30, 30', 30") de matière électriquement conductrice qui se termine dans des régions (40, 40', 40") à métallisation généralement épaisse qui correspondent à la partie terminale du substrat (20, 20', "), dans lequel ladite surface (30, 30', 30") en matière électriquement conductrice est divisée en une pluralité de premiers secteurs (51, 51', 51") et de deuxièmes secteurs (52, 52', 52") qui sont isolés les uns des autres partout, sauf à des éléments fusibles électriquement conducteurs
(60, 60', 60"),
caractérisé en ce que les premiers secteurs (51, 51', 51") et les deuxièmes secteurs (52, 52', 52") sont obtenus en formant une pluralité de "segments" (11, 11', 11", 12, 12', 12", 15, 15', 15") qui consistent en matière diélectrique, parmi lesquels: - une première série consiste en des premiers
"segments" parallèles entre eux (11, 11', 11") de même lon-
gueur, qui sont positionnés chacun d'une manière telle qu'une première extrémité est au contact de ladite région (40, 40") à métallisation épaisse; - une deuxième série consiste en des deuxièmes "segments" (12, 12', 12") dont au moins deux comportent une première extrémité (14, 14', 14") commune entre eux et commune avec la deuxième extrémité d'au moins l'un desdits premiers "segments" (11, 11', 11") de façon à former trois angles; - une troisième série consiste en des troisièmes "segments" (15, 15', 15") de même longueur, parallèles entre eux et parallèles aux premiers "segments" (11, 11', 11"), en étant disposés en alternance avec ceux-ci, et
positionnés chacun, par rapport à un axe horizontal géomé-
trique (16, 16', 16") qui divise le film (10, 25, 26) en
deux parties, sur le côté opposé auxdits premiers "seg-
ments" (11, 11', 11"), une première extrémité des troisiè-
mes "segments" étant au contact du bord isolant (20A, 20'A, 20"A), la deuxième extrémité (21, 21', 21") d'au moins l'un de ces troisièmes "segments" (15, 15', 15") étant commune avec la deuxième extrémité d'au moins deux des deuxièmes "segments" (12, 12', 12") de façon à former trois angles; au moins l'un desdits premiers secteurs (51, 51', 51") étant connecté à deux desdits deuxièmes secteurs (52, 52', 52") par l'intermédiaire d'au moins deux éléments fusibles électriquement conducteurs (60, 60', 60") disposés en correspondance avec lesdits deuxièmes "segments" (12,
12', 12").
2. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la configuration des premiers secteurs (51, 51', 51") et des deuxièmes
secteurs (52, 52', 52") est pentagonale.
3. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre le contact électrique de la région de métallisation plus épaisse (40, 40") et la deuxième extrémité (21, 21', 21") des troisièmes "segments" (15, 15', 15") est inférieure à
la moitié de la largeur totale (h) du film (10, 25, 26).
4. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26) selon
l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la
longueur des premiers "segments" (11, 11', 11") est inférieure à la distance entre le contact électrique de la région de métallisation plus épaisse (40, 40") et la deuxième extrémité (21, 21', 21") des troisièmes "segments"
(15, 15', 15").
5. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26) selon
l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la
distance entre les éléments fusibles électriquement conducteurs (60, 60', 60") et les contacts électriques de la région de métallisation plus épaisse (40, 40") est supérieure à la longueur des premiers "segments" (11, 11', il").
6. Film diélectrique métallisé (10, 25, 26) selon
l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la
première extrémité des premiers "segments" (11, 11', 11") est insérée dans l'intérieur de la région (40, 40") à
métallisation plus épaisse.
7. Film diélectrique métallisé (25) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier bord isolant (20A) est enlevé et la région (40) à métallisation plus épaisse est remplacée par un deuxième bord isolant (20'A), et en ce que le film (80) formé de cette manière est couplé à au moins un deuxième film (80') du même type et présentant les mêmes caractéristiques structurelles et
fonctionnelles, et à au moins un film diélectrique métal-
lisé (90) du type auto-cicatrisant, de façon à obtenir un circuit électrique équivalent à des condensateurs reliés en série.
8. Film diélectrique métallisé (26) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film (10) est couplé à au moins un deuxième film diélectrique métallisé (10") du même type et présentant les mêmes caractéristiques structurelles et fonctionnelles, de façon à obtenir un circuit électrique équivalent à des condensateurs reliés en série.
9. Condensateur du type auto-cicatrisant, carac-
térisé en ce qu'il comprend au moins un film diélectrique
métallisé (10, 25, 26) selon l'une au moins des revendica-
tions précédentes.
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