Brevet FR2644621A1 — publié le 19900921

CONDENSATEUR A TENUE EN TENSION OPTIMISEE La présente invention se rapporte aux condensateurs. Elle est plus particulièrement applicable aux condensateurs pour moyenne et haute tension - La miniaturisation des composants électroniques, et en particulier des composants passifs, est une conséquence inéluctable de l'évolution technologique. Dans le domaine des condensateurs à diélectrique en feuilles, obtenus par empilement ou par bobinage, la miniaturisation est fonction de trois paramétres principaux concernant le diélectrique : son épaisseur, sa permittivité relative, la tension maximale qu'on peut lui appliquer. La capacité d'un condensateur étant inversement proportionnelle à l'épaisseur de son diélectrique, on est amené à utiliser des feuilles d'épaisseur la plus faible possible pour augmenter la capacité volumique des condensateurs.La capacité d'un condensateur étant proportionnelle å la permittivité relative du diélectrique, on cherche à utiliser des matériaux à permittivité élevée. Le diélectrique retenu doit en outre autoriser, pour le condensateur, l'application d'une tension maximale par unité d'épaisseur de diélectrique. L'épaisseur de diélectrique, pour un diélectrique donné, reste soumise aux disponibilités du marché. En outre, la diminution d'épaisseur de diélectrique est surtout possible pour les condensateurs de basse tension. Le choix d'un diélectrique ne se fait pas exclusivement en fonction de la valeur de sa permittivité relative. En effet, d'autres éléments interviennent dans ce choix : le facteur de pertes, le coefficient de température, les contraintes d'utilisation, le prix. La tension maximale applicable par unité d'épaisseur de diélectrique était jusqu'à maintenant une conséquence du choix fait pour le type de diélectrique retenu en fonction de son épaisseur. Dans le cas des condensateurs pour moyenne et haute tension, une miniaturisation plus poussée ntétait plus guère possibIe jusqu'à maintenant. Afin de pallier cet inconvénient, on a, conformément à l'invention, augmenté la tension maximale applicable par unité d'épaisseur de diélectrique non pas en agissant directement sur celui-ci, ce qui semblait être la solution inévitable, mais en intercalant un élément supplémentaire sous forme de couche entre le diélectrique et au moins l'une des armatures qui lui est adjacente. Cet élément supplémentaire est réalisé en un matériau semiconducteur. Ainsi et de façon paradoxale, c'est en ajoutant un élément que l'on augmente la capacité volumique d'un condensateur. L'invention a donc pour objet un condensateur formé d'au moins une couche de matériau diélectrique comprise entre deux armatures conductrices, caractérisé en ce que le condensateur comprend également un matériau semiconducteur sous forme de couche insérée entre ladite couche de matériau diélectrique et au moins l'une des armatures conductrices. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront grâce à la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 représente la structure d'un condensateur feuilleté selon l'art connu, - la figure 2 représente la structure d'un condensateur feuilleté selon une première variante de l'invention. - la figure 3 représente la structure d'un condensateur feuilleté selon une seconde variante de l'invention. I1 a été constaté des différences notables entre la rigidité diélectrique d'un matériau (encore appelée tension de claquage ou tension disruptis e) et la tenue en tension du diélectrique. Par exemple, dans le cas de l'utilisation de diélectrique en film plastique tel que le polypropylène, la rigidité diélectrique intrinsèque de la molécule est de l'ordre de 600 volts par micron. La rigidité diélectrique du film polypropylène est légèrement plus faible (de l'ordre de 500 volts par micron). Ceci a une double origine. D'une part, le film ne peut pas à ce jour être obtenu à partir de polypropylène pur et ce sont les adjuvants nécessaires à sa fabrication qui diminuent la rigidité diélectrique. D'autre part, les films ne sont pas homogènes à 100 tO ; ils contiennent un certain nombre de trous.Dans les technologies en films métallisés, le problème des trous, s'ils ne sont pas trop importants, peut être résolu, comme il est déjà connu en mettant en oeuvre différentes méthodes concernant la métallisation : choix du matériau, de sa résistivité et de son traitement pour favoriser les propriétés d 'autocicatrisation . La tenue en tension du diélectrique (définie à partir d'un condensateur plan avec des armatures en feuilles ou déposées sur le diélectrique par métallisation ou sérigraphie) est plus faible encore que sa rigidité diélectrique et, a fortiori, que la rigidité intrinsèque de la molécule. Après avoir effectué un certain nombre d'études, la demanderesse est convaincue que la faiblesse constatée dans la tenue en tension est due à la présence de charges apportées dans le matériau diélectrique à partir des armatures. En effet, la répartition des charges dans le diélectrique d'un condensateur sous tension n'est pas uniforme : elles sont concentrées dans une zone voisine de l'une ou de l'autre des faces de diélectrique en contact avec les armatures, en fonction de la polarité de la tension appliquée. La présence de ces charges revient à diminuer l'épaisseur utile du diélectrique. Les charges injectées sont des électrons du côté de l'électrode négative du condensateur. Du côté de l'électrode positive, les charges sont constituées par des ions positifs à cause du dépeuplement d'électrons. Cette répartition non homogène des charges dans le matériau diélectrique est due au fait que le champ électrique est établi à partir de deux surfaces conductrices (les armatures) en contact direct avec un isolant (le diélectrique). Du fait de -cette concentration de charges localisée, Ia notion de tension ramenée à l'épaisseur totale du diélectrique ne paraît plus réaliste. Ces charges qui pénètrent par injection vont contribuer à diminuer la durée de vie du condensateur. La présente invention consiste à limiter la charge d'espace présente localement dans le diélectrique pour homogénéiser la répartition du champ électrique dans toute I'épaisseur du diélectrique. La couche semiconductrice bloque (ou au moins limite) l'injection de charges en provenance des armatures vers le diélectrique. Pour ceci, on insère un matériau semiconducteur entre le conducteur (l'armature) et l'isolant (le diélectrique). Ainsi, on ne réalise plus une structure directe conducteur / isolant / conducteur. Deux variantes de réalisation peuvent être envisagées - soit une structure conducteur / matériau semiconducteur / isolant / conducteur (première variante), - soit une structure conducteur / matériau semiconducteur / isolant / matériau semiconducteur / conducteur (deuxième variante). En fonction des variations de polarités des tensions appliquées entre les électrodes du condensateur, on peut utiliser l'une ou l'autre variante. Le matériau semiconducteur peut être de quelque nature que ce soit pourvu qu'il soit adapté aux conditions d'insertion ou de dépôt, que dans certaines applications sa conductibilité électrique soit appropriée pour ne pas engendrer de pertes ohmiques trop importantes qui modifieraient de façon significative le facteur de pertes du condensateur entraînant des échauffements non admissibles. On peut par exemple utiliser un polymère chargé de particules conductrices, des polymères dopés par exemple a partir de sels organiques du type tétracyanoquinodiméthane (TCNQ) ou tétrathiafulvalène (TTF), du noir de carbone. La technique de dépôt du matériau semiconducteur sera adaptée à ce dernier et à la nature du matériau isolant s'il est déposé sur le diélectrique, ou à la nature du conducteur s'il est déposé sur l'armature. On entend par technique de dépot toute technique permettant de faire adhérer une texture semi-conductrice sur l'isolant ou sur l'armature.On peut citer par exemple - les techniques de dépôt du type de celles utilisées dans l'imprimerie en enduction (héliographie, flexographie, technique dite reverse roil ou tout autre technique de laquage) à partir de matériau semiconducteur en solution ou en dispersion, - les techniques de dépôt par projection, par évaporation sous vide avec ou sans bombardement, à partir par exemple de filaments de carbone, - les techniques de dépôt thermique, - les techniques de coextrusion en réalisant un ensemble matériau semiconducteur/isolant ou matériau semiconducteur/isolant/matériau semiconducteur, - les techniques de sérigraphie. Le dépôt de matériau semiconducteur peut donc être réalisé soit sur les armatures, soit sur le matériau diélectrique. La figure 1 représente la structure classique d'un condensateur de type feuilleté obtenu par empilement ou par bobinage. On n' a représenté qu'un minimum d'éléments par souci de simplification. Cette structure comprend une armature conductrice 1 dite armature impaire, une couche de matériau diélectrique 3 et une armature conductrice 2 dite armature paire. Comme il est bien connu de l'homme de l'art, on obtient un condensateur en empilant alternativement des armatures paires 2 et impaires 1 avec intercalation de couches diélectriques 3. Les armatures paires et impaires sont empilées de manière décalée comme cela est représenté sur la figure 1.Ce décalage permet d'obtenir une meilleure prise de contact par schoopage latéral des armatures paires entre elles et des armatures impaires entre elles, les contacts s'effectuant non seulement sur les tranches 4 ou 5 mais aussi sur les marges latérales 6 ou 7. La figure 2 représente une structure de condensateur de type feuilleté selon Ia première variante de l'invention. Dans le cas représenté, ce sont les armatures impaires 1 qui sont séparées du diélectrique 3 par des couches de matériau semiconducteur 8 ou 9. On remarque que, toujours pour des raisons de prise de contact électrique, la couche 9 laisse une marge latérale 7 libre de matériau semiconducteur. La figure 3 représente une structure de condensateur de type feuilleté selon la seconde variante de l'invention. Dans ce cas, les armatures impaires 1 comme les armatures paires 2 sont séparées du diélectrique 3 par des couches de matériau semiconducteur respectivement référencées 21, 31 et 22, 32. Pour les mêmes raisons que précédemment, les couches 31 et 32 laissent des marges latérales 7 et 6 libres de matériau semiconducteur. Il est avantageux que les couches de matériau semiconducteur adjacentes à des armatures de même rang présentent un certain retrait par rapport au bord du diélectrique, du côté des armatures de l'autre rang. Ainsi, sur la figure 2, il existe un retrait 15 entre le bord 16 de la couche semiconductrice 8 et le bord 17 du diélectrique 3. De même, sur la figure 3, il existe un retrait 115 entre le bord 116 de la couche semiconductrice 21 et le bord 117 du diélectrique 3, et un retrait 215 entre le bord 216 de la couche semiconductrice 22 et le bord 217 du diélectrique 3. La raison d'être de ces retraits est d'éviter lors du schoopage les courts-circuits (par semiconductivité) qui pourraient se produire entre armatures de rang impair et celles de rang pair å cause des couches semiconductrices. Si le matériau semiconducteur est déposé à l'origine sur le diélectrique, on peut réaliser ce dépôt sous forme de bandes en ménageant une épargne, soit sur des largeurs élémentaires de diélectrique, soit sur la laize complète redécoupée par la suite. On peut aussi réaliser ce dépôt sur toute la surface diélectrique puis, par un procédé adapté, l'éliminer ou le passiver dans les parties indésirables. Au lieu d'obtenir un retrait, on obtient alors une marge isolante jouant le même rôle L'invention présente un double intérêt. D'abord, on peut augmenter la tension de tenue du diélectrique et donc la tension de service du condensateur ou les surtensions admissibles pour un encombrement identique puisque l'épaisseur des éléments semiconducteurs est inférieure à l'épaisseur de diélectrique rendue inutilisable avant la présente invention. Les épaisseurs de matériau semiconducteur et de diélectrique devront être calculées pour donner une capacité identique à celle obtenue dans les structures connues. D'où un gain en 2 énergie volumique selon la formule 1/2 x C x U (C représentant la capacité du condensateur et U 1A tension qui lui est appliquée) ramenée au volume du composant (où la capacité et le volume restent constants et où la tension augmente). Ensuite, on peut augmenter la durée de vie du composant en maintenant capacité, tension et volume constants. D'où un gain en fiabilité. L'invention peut s'appliquer à toute sorte de condensateurs. Le matériau diélectrique peut être organique (polymère), en papier ou en céramique. Il est particulièrement intéressant pour les condensateurs multicouches de moyenne et haute tension devant présenter un encombrement réduit. Le condensateur selon l'invention peut se présenter selon différentes formes, par exemple sous forme de chips et être enrobé d'une matière thermodurcissable. RE VENDI CAT T ON S 1 - Condensateur formé d'au moins une couche de matériau diélectrique (3) comprise entre deux armatures conductrices (1,2) caractérisé en ce que le condensateur comprend également un matériau semiconducteur sous forme de couche (8, 9, 21, 31, 22, 32) insérée entre ladite couche de matériau diélectrique et au moins l'une des armatures conductrices. 2 - Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est du type bobiné ou feuilleté. 3 - Condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche de matériau semiconducteur (8) présente un retrait (15) par rapport à l'un des bords (17) de la couche de matériau diélectrique (3) - afin d'éviter de court-circuiter les armatures encadrant ladite couche de matériau semiconducteur. 4 - Condensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche de matériau semiconducteur présente un bord passivé afin d'éviter de court-circuiter les armatures encadrant ladite couche de matériau semiconducteur. 5 - Condensateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est un polymère chargé de particules conductrices, un polymère dopé ou du noir de carbone. 6 - Condensateur selon 1 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est un polymère. 7 - Condensateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est du polypropylène.