WO2018065289A1 - Condensateur film a tres haute capacite et son procede de fabrication - Google Patents

Condensateur film a tres haute capacite et son procede de fabrication Download PDF

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Jean-Michel Depond
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Definitions

  • the present invention relates to a film capacitor with very high capacitance, as well as to a method of manufacturing such a capacitor.
  • a film capacitor consists of two generally load-bearing metal structures separated by a dielectric insulator.
  • This insulator is in the form of at least one film, generally a self-supporting polymer film, which is characterized by an average thickness [e f ] with 0.05 ⁇ ⁇ e f ⁇ 50 ⁇ typically, and a relative dielectric permittivity [e f ] Where Ef> 1.
  • a film capacitor of very high capacitance (hereinafter abbreviated as "CFTHC”) can be obtained by using a thin dielectric insulator (e f ⁇ 10 ⁇ , the sign “ ⁇ ” signifying “lower or even much lower than”) and of high relative dielectric permittivity (e f >> 10, the sign ">>” meaning "higher or even much greater than”).
  • capacitors In addition, the most common electrical energy storage devices are capacitors, supercapacitors and batteries.
  • the capacitors are of several types (film, ceramic, electrochemical, etc.) but store all the energy by capacitive effect: the stored charge [Q] is proportional to the capacity [C] of the storage device and to the
  • the capacitor is thus rarely used as an energy storage device, or only when the amount of energy involved is very low and / or the high demand power (such as for example the flash of a lamp).
  • Supercapacitors are electrochemical devices that store energy primarily by capacitive effect.
  • Batteries are electrochemical devices that store energy primarily by electrochemical reaction: the stored charge is proportional to the amount of material that reacts. Due to their electrochemical nature, the voltage is low (U ⁇ 10 V) and the slow response time ( ⁇ >> 1 s), but the quantity of charges stored can be very high (Q >> 10 Ah).
  • the battery is therefore used to store a large amount of energy (a few thousand Ah) to be used over a medium to long time (a few hours) and with moderate power calls (such as the operation of an engine for example).
  • capacitors and supercapacitors involve only charge movements, they have short response times, symmetrical charge and discharge behavior, and a high ability to repeat cycles (typically more than several million cycles).
  • Film capacitors with very high capacity based on dielectric films with dielectric permittivity on [f e] very high (e f> 10), achieve a technological breakthrough. They present the advantages of each of the above-mentioned technologies for electrical energy storage (high voltage, fast response time, high load quantity, strong ability to repeat cycles), without their disadvantages.
  • the device will have a reasonable surface, in agreement with the powers requested by the application (there is for a given technology a power / surface limit beyond which the technology is no longer viable, largely for thermal reasons).
  • the design of the film capacitors as described above is not suitable for very high capacitance film capacitors [CFTHC] using dielectric films which have very high relative dielectric permittivity [e f ] (e f > 10), which in a dry or impregnated configuration.
  • the present invention aims to provide a solution to these problems.
  • a first object of the present invention thus relates to a film capacitor of very high capacitance using at least one dielectric insulator of relative permittivity e f > 10 and in which the possible presence of areas where the relative dielectric permittivity is locally much lower than E n does not result in degradation of the performance of the capacitor.
  • a first aspect of the invention relates to a very high capacitance film capacitor which comprises a dielectric layer consisting of at least one dielectric film, each dielectric film of this dielectric layer having the following parameters:
  • this dielectric layer separating a first electronic charge carrying structure from a second electronic charge carrying structure, these two structures having a facing surface S separated by the dielectric layer, characterized in that: the interface between the dielectric layer and the first structure meets the following requirements:
  • the portion of the surface opposite where said first structure is directly in contact with said dielectric layer is greater than 90%
  • N N> 1 of "parasitic" dielectrics, each thickness having a relative dielectric permittivity [e p j ] and a dielectric strength [E p j ] which verify the relation:
  • the portion of the facing surface where said second structure is directly in contact with said dielectric layer is greater than 90%
  • any interface between two dielectric films satisfies the following conditions:
  • the portion of the surface opposite where the two dielectric films are directly in contact is greater than 90%
  • p means “parasite dielectric thickness” and " €” means the th "thickness, with 1 ⁇ € ⁇ P ⁇ > said dielectric layer being made of polymeric material or polymer based material, other than a exclusively mineral material.
  • said dielectric layer is not self-supporting.
  • Another aspect of the invention relates to a method for manufacturing a film capacitor according to the above characteristic, characterized in that it has the following successive steps:
  • support layer of relative dielectric permittivity [ ⁇ /] and thickness [e /], which is metallized on at least one of its two opposite faces, and dielectric strength [E f '],
  • step b) depositing said dielectric layer on said support layer so that it is in contact with a metallized face of this support layer, c) the metallization of the face of said dielectric layer which remains free at the end of step b),
  • said dielectric layer and support layer having the following relationship:
  • a metallized support film is used on its two faces, and in step d), the metallized surface of said dielectric layer is made to coincide, that is to say, to mirror one of the faces of said support layer;
  • a metallized support film is used on one of its faces, and in step d), the metallized surface of said dielectric layer is made to coincide, that is to say to mirror, that of said dielectric layer; support layer;
  • a support layer is used whose relative electrical permittivity [ ⁇ /] is less than or equal to 10;
  • step d) operating under vacuum or at a pressure less than or equal to 10 mbar;
  • step d) is carried a plating of a new set on the previous by applying pressure, in particular via a pressure roller, or by checking the angle of docking;
  • step b) depositing the assembly from step a) on a dielectric support layer
  • step c) depositing the assembly from step b) on a second support film consisting of a metal strip;
  • step c) the winding on itself of the assembly from step c) or the stacking of several sets from step c);
  • said dielectric layers are identical;
  • said support films are identical metal strips; between said steps a) and b), subjecting the face of said dielectric layer which has remained free to a metallization;
  • step d) operating under vacuum or at a pressure less than or equal to 10 mbar;
  • step d) is carried a plating of a new set on the previous by applying pressure, in particular via a pressure roller, or by checking the angle of docking;
  • the said fuses are integrated by making use of one or other of the following techniques:
  • FIG. 1 is a very schematic three-dimensional view of a very high capacitance film capacitor (CFTHC) comprising a single dielectric film as a dielectric layer, capacitor represented in an "ideal" configuration;
  • CTHC very high capacitance film capacitor
  • FIG. 2 is a view of the capacitor of FIG. 1 along the section plane P;
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 in which the capacitor is represented in a real configuration where "parasitic" dielectrics are present;
  • FIG. 4 is a view of the capacitor of FIG. 3 along the sectional plane P;
  • Figures 4a and 4b are enlarged views of the regions of Figure 4 marked by circles;
  • FIG. 5 is a view similar to FIG. 1, always in an ideal configuration, the dielectric layer consisting of several dielectric films;
  • FIG. 6 is a view of the capacitor of FIG. 5 along the section plane P;
  • FIG. 7 is a view similar to FIG. 5 in which the capacitor is represented in a real configuration where "parasitic" dielectrics are present;
  • FIG. 8 is a view of the capacitor of FIG. 7, along the section plane P;
  • FIGS. 8a, 8b and 8c are enlarged views of the regions of FIG. 8 indicated by circles;
  • FIG. 9 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of the first step of manufacturing a film capacitor such as that represented in the preceding figures (with a dielectric film that is not self-supporting) ;
  • FIG. 10 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of the second step which follows that illustrated in Figure 9;
  • Figure 1 1 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of a variant of the second step illustrated in Figure 10;
  • FIG. 12 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of the first step of another embodiment of manufacturing a film capacitor such as that shown in Figures 1 to 8c;
  • FIG. 13 is a view similar to Figure 12, showing an alternative embodiment
  • - Figure 14 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of the second step which follows that illustrated in Figure 12;
  • - Figure 15 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of the second step which follows that illustrated in Figure 13;
  • FIG. 16 and 17 are respectively vertical sectional views of variants of the stacks of Figures 1 and 15;
  • FIG. 18 is a vertical sectional view of a self-supporting film which has been metallized on both sides, obtained at the end of a first step of manufacturing a capacitor;
  • FIG. 19 is a vertical sectional view of a stack obtained at the end of a step that follows the one illustrated in FIG. 18;
  • FIG. 20 is a view similar to FIG. 19 but showing an alternative embodiment of the method resulting from this step;
  • Figure 21 is also a view similar to Figure 19 showing yet another variant
  • FIG. 22 is a vertical sectional view of a stack obtained according to another embodiment
  • FIG. 23 is a vertical sectional view of the method obtained at the end of a first step of a variant of the embodiment of FIG. 22;
  • Figure 24 is a vertical view of the stack obtained following a second step which follows the step of Figure 23.
  • all-film capacitor is a film capacitor in which the electronic charge-carrying structures (hereinafter abbreviated as "SPCE") are metal sheets independent of the dielectric layer.
  • the metal foils are typically made of aluminum or copper, or any other metal or metal alloy that can be formed into a sheet of thickness less than or equal to 100 ⁇ typically.
  • a “film capacitor” is a film capacitor in which the SPCEs are metal layers deposited on at least one face of the dielectric layer.
  • the metal deposit consists in particular of aluminum, zinc, copper, silver, gold, platinum, chromium, alloy of two or more of these metals, of successively deposited layers of these metals or metal alloys typically, or of any other metal, metal alloy or succession of metal layers that can be deposited according to a conventional metallization technique, vacuum evaporation type , physicochemical deposition under vacuum or other.
  • One of the major advantages of the "metallized film” technology is the possibility of self-regeneration of the capacitor in the presence of a defect.
  • the capacitor goes into "breakdown", that is to say it creates an internal short circuit via the fault between the two SPCE.
  • the capacitor is then no longer functional.
  • the very localized power released by the short circuit (which generally takes the form of a micro electric arc) induces thermal vapor demetallization of the two SPCEs around the defect.
  • the short circuit establishment distance therefore increases as demetallization progresses.
  • the set distance becomes too great for the short circuit to be maintained.
  • extrusion refers to any thermomechanical process that makes it possible to transform a plastic material in the mechanical sense of the term into a film that is self-supporting or not, via a technique of compression, passage through a die, and optionally stretching and / or crosslinking and / or deposition on a substrate.
  • coating refers to any process for depositing a fluid film on a substrate, generally followed by drying and optionally crosslinking, in order to obtain a self-supporting film or not.
  • wound capacitor is any film capacitor obtained by winding a structure "SPCE 1 / dielectric layer 1 / SPCE 2 / dielectric layer 2" on itself. It should be noted that the dielectric layers 1 and 2 may actually consist of several separate dielectric films wound in parallel. "SPCE 1" and “SPCE 2" then constitute the two electrically insulated poles of the capacitor.
  • stacked capacitor or "stacked capacitor” means any film capacitor obtained by stacking a structure "SPCE 1 / dielectric layer 1 / SPCE 2 / dielectric layer 2" on itself. It should be noted that the dielectric layers 1 and 2 may actually consist of several separate dielectric films stacked on top of one another. "SPCE 1" and “SPCE 2" then constitute the two electrically insulated poles of the capacitor.
  • the advantage of a multitrack structure is to optimize the serialization of capacitors within a coiled or "stacked" structure and therefore, without having to add additional packaging means or connectors.
  • SPCE 1 and SPCE 2 become coplanar insofar as they designate the two poles of the multitrack capacitor.
  • a pressure roller which presses with a constant pressure on the coil at the place of the winding. This pressure is equal to the winding pressure and is constant over the entire winding.
  • the second is to control the winding pressure of each film wound by the winding tension (via the tensile force exerted on the film) and the winding angle (also called the "angle of engagement").
  • the winding pressure is then related to the mechanical characteristics of each wound film, as well as to the winding radius, and thus varies not only from one wound film to another, but also through the winding.
  • the dielectric layer is made of a polymeric material or a polymeric material (i.e., a polymer matrix containing inclusions of an organic nature and / or mineral). In any case, the use of exclusively mineral materials is excluded.
  • the "parasitic" dielectrics are of gaseous nature (such as air, a neutral gas, etc.), liquid (such as mineral or organic oil, water, etc.) or solid (such as a polymer, mineral dusts, organic material such as grease, etc.)
  • a first object of the present invention is a very high capacitance film capacitor [CFTHC].
  • FIG. 1 An example of such a CFTHC 1 is shown in Figure 1 attached.
  • This capacitor 1 is formed of at least one dielectric film 100, also called “layer” (in this case, a single film 100a is shown here), which separates a first load bearing structure 200 (abbreviated SPCE), d a second load bearing structure 300.
  • layer dielectric film 100
  • SPCE first load bearing structure 200
  • the SPCEs 200 and 300 have been shown in such a way that they are not completely facing each other. This is an exaggerated representation of what is happening in reality. Indeed, even if there is usually an offset to avoid arcing in metallization edge, this offset is much smaller than the one shown.
  • the interface areas between the dielectric film 100a and the two SPCE are devoid of any imperfection, so that their adhesion is perfect.
  • the facing faces of the film 100a and the two SPCEs are irregular, so that they are separated locally by at least one parasitic dielectric thickness.
  • FIG. 4 there is shown by way of example, two zones Z1 and 12 where there is at least one parasitic dielectric thickness.
  • the zone Z1 is at the interface between the film 100a and the upper SPCE 200.
  • It shows a first parasitic dielectric thickness 400a interposed between a projection on the surface of the SPCE 200 and a hollow on the surface of the film 100a.
  • zone Z2 it is located at the interface between the film 100a and the lower SPCE 300.
  • It shows a first parasitic dielectric thickness 500a interposed between a projection on the surface of the film 100a and a hollow on the surface of the SPCE 300.
  • These thicknesses may consist of air and / or foreign bodies which may have a deleterious effect on the parameters of the CFTHC thus constituted.
  • the present applicant has pointed out that it is possible to obtain a quality CFTHC provided that the dielectric film 100a has the following parameters: a relative dielectric permittivity [ ⁇ ] such that ⁇ > 10, a thickness [e] such that 0.05 ⁇ ⁇ e ⁇ 50 ⁇ ,
  • the portion of the facing surface S where said first structure 200 is directly in contact with said dielectric film 100a is greater than 90%
  • p means “parasitic dielectric thickness” and "j” refers to the ..theme .. thickness, with 1 ⁇ j ⁇ N,
  • the portion of the facing surface S where said second structure 300 is directly in contact with the dielectric film 100 is greater than 90%
  • dielectric film 100a is not unique and we are dealing with a dielectric layer consisting of a superposition of several films 100a, 100b, ..., 100i.
  • FIGS. 5 and 6 show, in a manner analogous to FIGS. 1 and 2, a CFTHC 1 which is still an ideal case in which the interface zones between the dielectric film 100a of the dielectric layer 100 and the SPCE 200, and the interface areas between the dielectric film 100b of the dielectric layer 100 and the SPCE 300 are devoid of any imperfection, so that their adhesion is perfect. And it is the same for the interface between the two dielectric films 100a and 100b of the layer 100.
  • the facing faces of each layer of the film 100 and of the two SPCEs 200 and 300 on the one hand, and the faces facing the layers of the film. 100 are irregular, so that they are separated locally by at least one parasitic dielectric thickness.
  • Zones Z1 and Z2 are similar to zones Z1 and Z2 described above with reference to FIGS. 3 and 4.
  • zone Z3 it is located at the interface between the films 100a and 100b of the layer 100.
  • It shows a first parasitic dielectric thickness 600a interposed between a projection on the surface of the film 100a and a hollow on the surface of the film 100b.
  • this capacitor very high capacity film 1 comprising a dielectric layer 100 consisting of at least one dielectric film 100a, each dielectric film 100i of this dielectric layer 100 having the following parameters:
  • this dielectric layer 100 separating a first SPCE 200 from a second SPCE 300, these two structures having a facing surface S separated by the dielectric layer 100,
  • the portion of the facing surface S where said first structure 200 is directly in contact with said dielectric layer 100 is greater than 90%
  • N N> 1 of "parasitic" dielectrics 400, each thickness having a relative dielectric permittivity [e p j ] and a dielectric strength [E p j ] which verify the relation:
  • any interface between two dielectric films 100a satisfies the following conditions:
  • the portion of the facing surface S where the two dielectric films 100a are directly in contact is greater than 90%
  • the design of the stack that constitutes the capacitor is made so that, in the area corresponding to the surface facing the two load bearing structures, at best 100% of the surface of a dielectric film is in contact with either a charge-bearing structure or with another dielectric film, to avoid the presence of parasitic dielectric zones at different interfaces.
  • the advantage of having a dielectric layer consisting of several dielectric films is to minimize the influence of a defect in a dielectric film. Indeed, it is statistically unlikely that N defects are superimposed in a stack of N dielectric films (N> 2). The presence of a defect in a dielectric film is not unacceptable compared to the stack. In the presence of a single film, the defect is inherently unacceptable.
  • Example 1 Hereinafter will be described a method which makes it possible to obtain a capacitor as presented above.
  • Example 1
  • the main dielectric film 100 dielectric permittivity e f > 10, is not self-supporting. It can only be manufactured, for example by extrusion or coating, in a thickness of 0.05 ⁇ at 50 ⁇ , on a support layer 101.
  • the support layer 101 ( Figure 9) is a dielectric film metallized on at least its faces, relative dielectric permittivity [ ⁇ /] and thickness [e /].
  • the dielectric film 100 is deposited on a metallized face of the support layer 101 so that the dielectric film 100 is in direct contact with the metallized face of the support layer 101, in the sense defined above in the description.
  • the main dielectric film 100 is capable of undergoing a conventional metallization process, such as vacuum evaporation, for example.
  • This method is implemented by a first metallization step of the free face of the main dielectric film 100 to obtain the basic configuration as defined above in the description.
  • the dielectric film 100 is directly in contact with two structures carrying electronic charges opposite.
  • Figure 9 illustrates the result of the implementation of this step.
  • a second step is to fabricate the capacitor itself. For this, it is necessary to wind on itself the metallized dielectric film 100 provided with its support layer 101 or stack several identical structures of this type.
  • the dielectric character of the support layer 101 then plays the role of complementary insulator between the two SPCEs (in this case the metallized faces wound or stacked). It is therefore necessary to respect the following relation:
  • a first variant consists in using a metallized support layer 101 on its two opposite faces, taking care to make the metallization of the free face coincide with that of the main dielectric film 100 (this means that the metallizations are mirrored one from the other).
  • the two metallized faces coincide at the time of winding or stacking, so that they then behave as one and the same SPCE.
  • Figure 10 illustrates the result of this first variant implemented by operating a stack.
  • a second variant consists in using a support layer 101 which is metallized only on one face.
  • the non-metallized face of the support layer 101 is a priori not in direct contact with the metallized face of the dielectric film 100, in the sense defined above in the description. "Spurious" dielectric zones may therefore exist at the interface.
  • FIG. 11 illustrates the result obtained by implementing this second variant, as part of a stack.
  • a first precaution is to carry out the operations of winding or stacking under vacuum (pressure ⁇ 10 mbar typically).
  • a second precaution independent of the previous one, is to use, as a metallized layer or in addition to it, porous metal strips which, by letting the air escape at the time of winding or stacking, will guarantee direct contact between SPCE and dielectric films.
  • a third precaution complementary to the previous ones, is to ensure a good plating of each new layer on the previous ones during winding or stacking, by the application of a pressure via a pressure roller for example, or by a control relevant of the angle of loading in the implementation of the winding.
  • the main dielectric film 100 is not self-supporting. It can only be manufactured, for example by extrusion or coating, in a thickness of 0.05 ⁇ at 50 ⁇ , on a support layer 300.
  • the support layer 300 is a metal strip.
  • the dielectric film 100 is deposited on at least one face of the support layer 300, so that the dielectric film 100 is in direct contact with the support film 300, in the sense defined above in the description.
  • the main dielectric film 100, with its support layer 300, is a priori not able to undergo conventional metallization process.
  • FIG. 12 is shown such a dielectric film resting on a metal strip 300, whereas in FIG. 13 is represented the structure of FIG. 12, resting itself on another dielectric film 101.
  • FIG. 14 shows a stack of several structures such as that shown in FIG. 12, while FIG. 15 shows a stack of several structures such as that represented in FIG. 13.
  • the SPCE 301 which constitutes the second pole of the CFTHC, is represented without any other deposit in the stack, the dielectric films 100 and 101, charged with the electrical insulation between the two SPCEs, already being worn by the other SPCE 300.
  • the main dielectric film 100 is capable of undergoing a conventional metallization process, such as vacuum evaporation type, for example.
  • This variant follows the same recommendations as those above (recommendations described at the end of Example 1 - another variant), whether in the case of a metallization of a face (as shown by the stack of FIG. 16) or in the case of metallization of the two faces (as shown in the stack of FIG. 17).
  • the layers are represented with corrugations to represent the lack of uniformity and regularity of their surface. But again, it's just a sight of the mind.
  • the main dielectric film 100 is self-supporting. It can be manufactured, for example by extrusion or coating, in a thickness of 0.05 ⁇ at 50 ⁇ .
  • the self-supporting film is capable of undergoing a conventional metallization process, such as vacuum evaporation for example.
  • the method is implemented by a first metallization step of the two faces of a self-supporting film 100 to obtain the basic configuration as defined above in the description. So, the dielectric film is directly in contact with two structures carrying electronic charges opposite.
  • Figure 18 illustrates the result of the implementation of this step.
  • the metallization layers are referenced M.
  • a second step is to fabricate the capacitor itself. For this, it is necessary to wind the metallized dielectric film on its two faces 100 or stack several identical structures of this type. It is however necessary to isolate the two metallized faces of one another during winding or stacking, by the introduction of a second dielectric film 200.
  • a first variant is to use a dielectric film 200 metallized on both sides being careful to match the metallized faces (so that the films are mirrored from each other).
  • the two faces that coincide at the time of winding or stacking then act as one and the same SPCE.
  • FIG. 19 illustrates the result of this first variant implemented as part of a stack.
  • a second variant consists in using a dielectric film 100 metallized on one side, taking care to make the metallized face coincide with one of those of the dielectric film 100.
  • the metallization of the dielectric film 200 is mirrored with the one of the metallizations of the dielectric film 100, and the two faces coinciding at the time of winding or stacking then act as one and the same SPCE.
  • the non-metallized face of the dielectric film 200 is a priori not in direct contact with the second metallized face of the dielectric film 100, in the sense defined above in the description. "Spurious" dielectric zones may therefore exist at the interface.
  • a dielectric film 200 of relative dielectric permittivity ⁇ ⁇ 10 while respecting the conventional principles of manufacturing a metallized film capacitor (heat treatment for example).
  • FIG. 20 illustrates the result of this second variant implemented as part of a stack.
  • a third variant is to use a non-metallized dielectric film 200.
  • the main dielectric film 100 ef > 10, is self-supporting. Can be made of films of this material, 0.05 ⁇ to 50 ⁇ thick [e f], by extrusion or by coating for example.
  • the main dielectric film 100 is not a priori capable of undergoing a conventional metallization process.
  • the process is then carried out by winding (for the wound capacitor version) or by stacking (for the stacked capacitor version):
  • a second dielectric film 200 (of thickness [e /], and of dielectric strength [E /]) for isolating the two SPCEs.
  • films 100 and 200 of the same nature which makes it possible to double the capacitance of the capacitor. If one uses a dielectric film 200 of different nature (of thickness [e /], and of dielectric rigidity [E /]), it will be necessary to respect the following rule:
  • the capacitor can operate independently of any breakdown through the dielectric film 200.
  • main dielectric film 100 is capable of undergoing a conventional metallization process, such as vacuum evaporation for example.
  • any film can be made necessary if the power demanded by the application is too important to be transported by a simple metallization.
  • the method according to the invention is made by metallization of the two faces of the main dielectric film 100 to obtain the basic configuration as defined above in the description.
  • a dielectric film is directly in contact with two opposite SPCEs.
  • the process resulting from this step is represented in FIG. 23.
  • a second step is to fabricate the capacitor itself. For this, it suffices to apply the method described above.
  • the metallization of the two faces of the dielectric film 200 is recommended but not necessary depending on its nature.

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Abstract

La présente invention se rapporte notamment à un condenseur film à très haute capacité(1)qui comporte une couche diélectrique (100)constituée d'au moins un film diélectrique (100a,..., 100i), chaque film diélectrique(100a,..., 100i) de cette couche diélectrique (100) présentant les paramètres suivants: -une permittivité diélectrique relative [ε f i ] telle que ε f i ≥ 10, -une épaisseur [e f i ] telle que 0.05µm ≤ e f i ≤ 50 µm, -une rigidité diélectrique [E f i ]telle que E f i ≥ 50 V/µm, paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i ≥ 1, "i" désignant le "i ème " film diélectrique (100i) de ladite couche diélectrique (100), cette couche diélectrique (100) séparant une première structure porteuse de charges électroniques (200) d'une deuxième structure porteuse de charges électroniques(300), ces deux structures ayant une surface en regard(S) séparée par la couche diélectrique (100).

Description

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 [ef] avec 0.05 μιη < ef < 50 μιη typiquement, et une permittivité diélectrique relative [ef] OÙ Ef > 1.
La capacité d'un condensateur film étant proportionnelle à ef 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 μιη, 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 la plupart des cas, des zones remplies d'air peuvent être présentes. Leur épaisseur reste cependant faible au regard de ef (< 1 μιη 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 [ε(] proche de Ef ( | £f - £i | < 2 typiquement). Dans le cas des condensateurs non imprégnés (appelés "condensateurs secs"), l'air de permittivité diélectrique relative [Eair] 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 condensateur lorsque ef << 10. Mais ce n'est plus le cas dans un CFHTC où £f » 10.
Plus globalement, lorsque le gradient de fonctionnement devient élevé (> 50 V/μιη), la présence de ces zones où les caractéristiques diélectriques 5 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.
10 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
15 tension [U] aux bornes de ce dispositif, de sorte que Q = C χ 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
PCT/EP2Q17/Q74619 "0· Par contre, le temps de réponse [τ] est très rapide (τ << 10"3 s), ce qui permet au condensateur de répondre à des pics de puissance.
20 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 25 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 (τ = 1 s).
Le supercondensateur est donc utilisé pour stocker une quantité 30 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 35 proportionnelle à la quantité de matière qui réagit. De par leur nature électrochimique, la tension est faible (U << 10 V) et le temps de réponse lent (τ >> 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 < 2 μιη) 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 les puissances demandées sont significativement supérieures alors que l'énergie demandée est moindre, il sera obligatoire de travailler avec des surfaces plus importantes. Cela nécessite donc d'utiliser un film diélectrique de plus forte épaisseur (1 μιη < ef < 5 μm) ou de plus faible permittivité diélectrique relative (100 < Ef < 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 > 5 μιη) et de faible permittivité diélectrique relative (10 < Ef < 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 (ef > 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 Ef 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 constituée d'au moins un film diélectrique, chaque film diélectrique de cette couche diélectrique présentant les paramètres suivants :
- une permittivité diélectrique relative [ef'] telle que ef' > 10,
- une épaisseur [ef'] telle que 0.05 μιη < ef' < 50 μιη,
- une rigidité diélectrique [Ef'] telle que Ef' > 50 V/μιη,
paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i > 1 , "i" désignant le "ieme" 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 : kl l'interface entre la couche diélectrique et la première structure répond aux exigences suivantes :
- la portion de la 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 [ep j] et une rigidité diélectrique [Ep j] qui vérifient la relation :
ep j Ep j > iniEf 1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la "j,eme" épaisseur, avec 1 < j < N,
B/ 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 épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ep k] et une rigidité diélectrique [Ep k] qui vérifient la relation :
ep k Ep k > Min(ef k Ef k)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la "k,eme" épaisseur, avec 1 < k < M, avec la condition supplémentaire suivante :
C/ quand ladite couche diélectrique est constituée de plus d'un film diélectrique, alors toute interface∑ 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∑ où les deux films diélectriques ne sont pas directement en contact, ces films sont séparés localement par P∑ épaisseurs (avec P∑ > 1 ) de diélectriques "parasites", chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ερ {] et une rigidité diélectrique [Ep {] qui vérifient la relation :
ερ { Ep { > iniEf 1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "€" désigne la eme" épaisseur, avec 1 <€ < P∑> 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 [ε/] et d'épaisseur [e/], qui est métallisée sur au moins une de ses deux faces opposées, et de rigidité diélectrique [Ef'],
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, 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 la 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 la 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 [ε/] est inférieure ou égale à 10 ;
- l'on procède à la mise en œuvre 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 ;
b) 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 ; - 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 œuvre 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 la 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 ; - 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 1 1 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 les 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 ; - 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 ;
- les figures 16 et 17 sont respectivement des vues en coupe verticale de variantes des empilements des figures 1 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 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 ;
- la figure 21 est aussi une vue analogue à la 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 la 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 la 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 μιη 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 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, le 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 le 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 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. I l 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 les 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 la 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 les uns sur les autres. 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 la 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 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 12 où l'on a affaire à au moins une épaisseur de diélectrique parasite.
Ainsi, la 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 le film 100a et la 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 : une permittivité diélectrique relative [ε] telle que ε > 10, une épaisseur [e] telle que 0.05 μιη < e< 50 μιη,
une rigidité diélectrique [E] telle que E > 50 V/μιη, et que kl 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 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 N > 1 ) de diélectriques "parasites" 400a, 400c, chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ε^] et une rigidité diélectrique [Ep j] qui vérifient la relation :
£pj Ep j > ε E
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la ..jieme.. épaisseur, avec 1 < j < 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 [ερ κ] et une rigidité diélectrique [Ep k] qui vérifient la relation :
ερ κ Ep k > ε E
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la "k,eme" épaisseur, avec 1 < k < M. 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 la 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 Z1 , Z2 et Z3 où l'on a affaire à au moins une épaisseur de diélectrique parasite.
Les zones Z1 et Z2 sont similaires aux zones Z1 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 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 [ef'] telle que ef' > 10, - une épaisseur [ef'] telle que 0.05 μιη < ef' < 50 μιη,
une rigidité diélectrique [Ef'] telle que Ef' > 50 V/μm, paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i > 1 , "i" désignant le "ieme " 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 : kl 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 [ep j] et une rigidité diélectrique [Ep j] qui vérifient la relation :
ep j Ep j > iniEf 1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la
..jieme.. 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 > 1 ) de diélectriques "parasites" 500, chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ep k] et une rigidité diélectrique [Ep k] qui vérifient la relation :
ep k Ep k > Min(ef k Ef k)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la "k,eme" épaisseur, avec 1 < k < M, avec la condition supplémentaire suivante :
Cl quand ladite couche diélectrique 100 est constituée de plus d'un film diélectrique 100i, alors toute interface∑ 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 ∑ où les deux films diélectriques 100a ne sont pas directement en contact, ces films sont séparés localement par P∑ épaisseurs (avec P∑ > 1 ) de diélectriques "parasites" 600, chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ερ {] et une rigidité diélectrique [Ep {] qui vérifient la relation :
ερ { Ep { > iniEf 1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "€" désigne la
"€,eme" épaisseur, avec 1 <€ < P∑.
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 > 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. 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 μιη à 50 μιη, 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 [ε/] et d'épaisseur [e/].
- 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 œuvre 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 œuvre 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 Ef 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 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 SPCE.
On peut se reporter à la figure 10 qui illustre le résultat de cette première variante mise en œuvre en opérant un empilement.
Une deuxième variante consiste à utiliser une couche de support 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.
Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser une couche de support 101 de permittivité diélectrique relative ε < 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 œuvre 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 < 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. 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 œuvre du bobinage.
Exemple 2 :
Dans le cadre de cet exemple, on prend en compte les 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 μιη à 50 μιη, 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.
II 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 le 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. 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 le 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 > 10, est autosupporté. Il peut être fabriqué, par extrusion ou enduction par exemple, selon une épaisseur de 0.05 μιη à 50 μητι.
- Le film autosupporté est capable de subir un procédé classique de métallisation, de type évaporation sous vide par exemple.
Le procédé est mis en œuvre 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 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 œuvre 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 [e/], et de rigidité diélectrique [E/]), 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 œuvre 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. 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 ε < 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 œuvre 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 ε < 10 tout en respectant les principes classiques de fabrication d'un condensateur film métallisé (traitement thermique par exemple). Le résultat de la mise en œuvre 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 Le film diélectrique principal 100, de ef > 10, est autosupporté. On peut fabriquer des films de ce matériau, de 0.05 μιη à 50 μιη d'épaisseur [ef], par extrusion ou par enduction par exemple.
Le film diélectrique principal 100 n'est a priori pas capable de subir 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,
- 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 [e/], et de rigidité diélectrique [E/]) pour isoler les deux SPCE.
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 un film diélectrique 200 de nature différente (d'épaisseur [e/], et de rigidité diélectrique [E/]), 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.
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. 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.
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 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 £f 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,
21 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 contact direct, au sens défini plus haut, à chaque interface dans la couche diélectrique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Condensateur film à très haute capacité (1 ) qui comporte une couche diélectrique (100) constituée d'au moins un film diélectrique (100a, 100i), chaque film diélectrique (100a, 100i) de cette couche diélectrique (100) présentant les paramètres suivants :
- une permittivité diélectrique relative [ef'] telle que ef' > 10,
- une épaisseur [ef'] telle que 0.05 μιη < ef' < 50 μιη,
- une rigidité diélectrique [Ef'] telle que Ef' > 50 V/μm,
paramètres dans lesquels "f" signifie "film" et i > 1 , "i" désignant le "ieme" film diélectrique (100i) de ladite couche diélectrique (100),
cette couche diélectrique (100) séparant une première structure porteuse de charges électroniques (200) d'une deuxième structure porteuse de charges électroniques (300), ces deux structures ayant une surface en regard (S) séparée par la couche diélectrique (100), caractérisé par le fait que : kl 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 [ep j] et une rigidité diélectrique [Ep j] qui vérifient la relation :
ep j Ep j > iniEf 1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "j" désigne la "j,eme" 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 > 1 ) de diélectriques "parasites" (500), chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ep k] et une rigidité diélectrique [Ep k] qui vérifient la relation :
ep k Ep k > iniEf1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "k" désigne la "k,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∑ entre deux films diélectriques (100i) satisfait aux conditions suivantes :
- la portion de la surface en regard (S) où les deux films diélectriques (100i) sont directement en contact est supérieure à 90%,
- dans l'ensemble des zones de l'interface∑ où les deux films diélectriques (100i) ne sont pas directement en contact, ces films sont séparés localement par P∑ épaisseurs (avec P∑ > 1 ) de diélectriques "parasites" (600), chaque épaisseur présentant une permittivité diélectrique relative [ερ {] et une rigidité diélectrique [Ep {] qui vérifient la relation :
ερ { Ep { > iniEf1 Ef j)
où "p" signifie "épaisseur de diélectrique parasite" et "€" désigne la " €,eme" épaisseur, avec 1 < € < P∑, ladite couche diélectrique étant en matériau polymère ou à base de matériau polymère, à l'exclusion d'un matériau exclusivement minéral.
2. Condensateur film selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que ladite couche diélectrique (100) n'est pas autosupportée.
3. Procédé de fabrication d'un condensateur film selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'elle présente les étapes successives suivantes : a) on fait usage d'une deuxième couche diélectrique (101 ) dite "couche de support", de permittivité diélectrique relative [ε/] et d'épaisseur [e/], qui est métallisée sur au moins une de ses deux faces opposées, et de rigidité diélectrique [Ef'] ;
b) on dépose ladite couche diélectrique (100) sur ladite couche de support (101 ) de telle sorte qu'elle soit en contact avec une face métallisée de cette couche de support ;
c) on procède à la métallisation de la face de ladite couche diélectrique (100) 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 (100) et couche de support (101 ) respectant la relation suivante :
ef' Ef' > ef Ef> dans laquelle les expressions ef et Ef sont définies dans la revendication 1 .
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on fait usage d'un film support (101 ) métallisé sur ses deux faces, et qu'à l'étape d), on fait coïncider, c'est-à-dire mettre en miroir la surface métallisée de ladite couche diélectrique (100) avec celle d'une des faces de ladite couche de support (101 ).
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on fait usage d'un film support (101 ) métallisé sur une de ses faces et qu'à l'étape d), on fait coïncider, c'est-à-dire mettre en miroir la surface métallisée de ladite couche diélectrique (100) avec celle de ladite couche de support (101 ).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on utilise une couche de support (101 ) dont la permittivité électrique relative [Ef ] est inférieure ou égale à 10.
7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que l'on procède à la mise en œuvre de l'étape d) en opérant sous vide ou à une pression inférieure ou égale à 10 mbar.
8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait qu'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.
9. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il présente les étapes suivantes :
a) on dépose ladite couche diélectrique (100) sur un film de support (300) constitué d'un feuillard métallique ;
b) on dépose l'ensemble issu de l'étape a) sur une couche diélectrique (101 ) de support ;
c) on dépose l'ensemble issu de l'étape b) sur un deuxième film de support (400) 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).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que lesdites couches diélectriques (100, 101 ) sont identiques.
1 1. Procédé selon les revendications 9 ou 10, caractérisé par le fait que lesdits films de support (300, 400) sont des feuillards métalliques identiques.
12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 1 1 , caractérisé par le fait que, entre lesdites étapes a) et b), on soumet la face de ladite couche diélectrique (100) qui est restée libre, à une métallisation.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que, entre lesdites étapes b) et c), on soumet la face de ladite couche diélectrique (100) de support qui est restée libre, à une métallisation.
14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé par le fait que l'on procède à la mise en œuvre de l'étape d) en opérant sous vide ou à une pression inférieure ou égale à 10 mbar.
15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé par le fait qu'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.
16. Procédé selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé par le fait que l'on fait usage de feuillards poreux.
17. Procédé selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé par le fait que l'on fait usage de feuillards qui intègrent des fusibles.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait que l'on procède à l'intégration desdits fusibles en faisant usage de l'une ou l'autre des techniques suivantes :
- enlèvement de matière audit feuillard, de sorte que la matière restante constitue lesdits fusibles, enlèvement qui est réalisé par une technique telle que la vaporisation du métal, le poinçonnage ou le perçage mécanique du métal, la dissolution ou l'attaque chimique du métal ;
- 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
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