Academic literature on the topic 'Condensateurs à films métallisés'

Le travail présenté porte sur l'étude de la fiabilité des condensateurs à films polypropylène métallisés. En particulier, une cartographie de la répartition de la température à l'intérieur du bobinage est présentée. Il apparaît ainsi que l'échauffement d'un condensateur long est plus important qu'un condensateur plat de mêmes propriétés électriques. Ceci s'explique par la valeur de l'ESR plus grande dans le cas d'un condensateur long. Les tests normalisés de vieillissements accélérés ont montré qu'une représentation de la fiabilité des condensateurs par une fonction de Weibull est possible. Ces tests, sollicitant le diélectrique, ont montré aussi qu'un condensateur plat est plus fiable. L'étude est argumentée par des photos prises par microscopies électronique et optique. L'étude consacrée à l'état de dégradation du contact schoopage-électrode des condensateurs à films métallisés a montré que la qualité de ce contact est fortement conditionnée par des paramètres liés à la fabrication : l'angle de projection des grains et les paramètres du processus de schoopage, la qualité du bord renforcé et la précision lors de son coupage, ainsi que la géométrie du condensateur et les forces électrodynamiques qui tendent à arracher le schoopage.

Le travail présenté porte sur l'étude des phénomènes physiques prenant place dans les condensateurs bobinés à films secs métallisés. En particulier, les propriétés macroscopiques des bobinages (admittance, impédance) sont étudiées et permettent de calculer la répartition des champs électrique et magnétique et des courants dans une large gamme de fréquences. Il apparaît ainsi que les courants, homogènes à basse fréquence, se concentrent en certains points des condensateurs quand la fréquence augmente, ce qui peut conduire à des échauffements et à des défaillances.
Par ailleurs, les modèles élaborés ont permis de mettre en évidence l'influence des paramètres géométriques sur les performances des condensateurs, en particulier en haute fréquence. Ainsi, de nouvelles structures - plates et annulaires - permettent de minimiser les impédances propres des bobinages. L'efficacité des condensateurs de découplage peut aussi être améliorée grâce à des connexions appropriées et l'utilisation de conducteurs symétriques réduit les échauffements.

Les convertisseurs statiques d'energie electrique sont bases sur l'association d'interrupteurs a semi-conducteur et de composants passifs : condensateurs, inductances. L'evolution des convertisseurs statiques, allant dans le sens de la reduction de l'encombrement et l'augmentation de la puissance massique, est conditionnee par la montee en frequence. Cependant, les imperfections des composants passifs deviennent plus sensibles lors de cette excursion frequentielle. Nous proposons donc dans ce travail de these de caracteriser l'origine des imperfections des condensateurs a films metallises, en particulier l'inductance parasite. Cette inductance a ete determinee en regime quasi-statique et minimisee a l'aide d'outils mathematiques de l'optimisation mettant en evidence de nouvelles geometries de condensateurs a inductance reduite. Dans une seconde phase, il a ete necessaire de suivre l'evolution frequentielle de l'inductance parasite. Des modeles mathematiques et des schemas equivalents du condensateur ont permis de prendre en compte la distribution non-homogene des courants dans le condensateur et valider l'etude de la minimisation de l'inductance parasite en regime quasi-statique. Meme reduite, cette inductance parasite subsiste toujours. Nous suggerons donc par le biais de schemas electriques equivalents, la possibilite d'en tenir compte dans les simulations fines de convertisseurs statiques fonctionnant a frequences elevees. Enfin, des mesures hautes frequences ont permis de correler la precision du modele electrocinetique a son degre de complexite.

Cette étude propose une voie pour l'amélioration de l'autocicatrisation dans les condensateurs à films de polypropylène métallisés au zinc. Nous avons élaboré, par plasma de mélange hexaméthyldisiloxane et diazote (HMDSO/N2), une couche mince organosiliciée nitrurée (ou SiNOCH) sur le film de polypropylène juste avant la métallisation au zinc. Le plasma basse pression et haute densité, est couplé inductivement. Nous avons d'abord caractérisé la composition et la structure des couches minces principalement par spectrométrie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectrométrie de photoélectrons X (XPS) ainsi que la phase gazeuse par spectroscopie optique d'émission (OES). Ensuite, à partir des variations temporelles du courant et de la tension au cours de l'autocicatrisation, ainsi que de la taille de la surface démétallisée, on montre que la présence d'une couche mince SiNOCH permet de diviser par trois l'énergie électrique nécessaire à l'autocicatrisation. Enfin, nous avons étudié la nature de la surface d'un film de polypropylène métallisé autocicatrisé par imagerie chimique et par analyse spectrale spatialement résolue (XPS). On observe que le film de PP est totalement mis à nu autour du claquage et qu'une fraction des couches minces SiNOCH et Zn évaporées par l'arc électrique se redépose sur les abords de la surface démétallisée
In this study, we describe a way to improve self-healing in metallized polypropylene (PP) films capacitors. A PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon) thin nitride organosilicon (or SiNOCH) coating is deposited on the surface of the PP film just before the metallization with zinc. The low pressure and high density plasma is inductively coupled and the gas mixture is made with HMDSO (hexamethyldisiloxane) and N2. FTIR (Fourier Transform Infra-Red) and XPS (X-ray photoelectron spectrometry) measurements are leading to the characterization of the composition and the structure of the thin coatings, while OES (Optical Emission Spectroscopy) provides information on the composition of the gaseous phase. Then, we have measured the current and voltage variations during self-healing and the size of the demetallized surface. Evidence has been made that a thin SiNOCH coating is useful since it allows to divide by a factor three the electrical energy needed for self-healing. In order to understand self-healing mechanisms, we analyzed the self-healed metallized polypropylene film surface by chemical imaging and spatially resolved XPS. The self-healing process leads to a cleared PP surface around the breakdown point. Moreover, a fraction of the coatings SiNOCH and Zn is deposited at the frontier between the cleared surface and the metallized surface

Le domaine aéronautique connait de nos jours un engouement sans précédent autour de l'avion plus électrique. L'importance du nombre d'équipements électriques est à un tel point que l'amélioration de leur fiabilité devient incontournable. Actuellement, les composants passifs occupent 75 % des éléments électroniques utilisés en avionique dont la moitié correspond à des condensateurs. Ces derniers doivent donc répondre aux exigences environnementales avioniques assez contraignantes. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés particulièrement à l'étude des condensateurs à technologie film utilisant le polypropylène ou le polyester comme diélectrique. Afin de mieux comprendre le comportement fréquentiel de cette technologie, deux modèles fins de condensateurs films ont été développés, permettant ainsi de suivre les évolutions de leurs grandeurs électriques dans des conditions cohérentes avec l'application. Dans un deuxième temps, l'effet des contraintes en tension et en température constantes a été étudié sous la forme de facteurs d'accélération du vieillissement. Cela a été établi par l'intermédiaire de plusieurs essais, permettant d'établir les lois d'évolutions temporelles des paramètres électriques des condensateurs. Comme ces contraintes constantes ne sont pas toujours représentatives des conditions réelles d'utilisation, les cinétiques de dégradation ont été comparées à celles où les condensateurs sont sollicités par de fortes ondulations de courant, seules ou associées à une tension continue. Enfin, la dernière partie de notre travail expose l'utilisation des données expérimentales issues des essais de vieillissement dans un objectif de diagnostic en ligne. Les techniques utilisées assurent l'analyse de la dégradation de ces composants, étape essentielle dans la prédiction de l'état de santé des condensateurs en ligne

Très largement utilisés, les condensateurs à films métallisés sont une cause commune de panne des systèmes d’électronique de puissance. Leur défaillance peut engendrer des risques d’explosion et d’incendie. Outre l’enjeu de sécurité, l’étude des défaillances est justifiée par les enjeux économiques relatifs à la maintenance des systèmes. L’objectif est de prédire l’évolution du vieillissement pour estimer la durée de vie utile restante et d’anticiper les pannes soudaines. A ce jour, les lois de vieillissement les plus utilisées nécessitent d’effectuer préalablement des essais de vieillissement accéléré afin d’identifier leurs paramètres et de permettre leur extrapolation. Ces paramètres varient grandement selon les différentes séries de condensateurs et leurs fabricants. Ces lois sont donc coûteuses à exploiter et non robustes. D’autres lois sont basées sur des processus stochastiques ou sur les mécanismes de défaillance. Il reste cependant à évaluer leur robustesse et leur portée prédictive. Enfin, si des dispositifs sont mis en place pour diminuer l’occurrence des défaillances catalectiques et leurs impacts, des accidents subsistent. Il reste nécessaire de prévenir ce type de défaillance catalectique indépendamment des spécificités internes et de l’historique du condensateur. Afin de répondre à ces problématiques, des travaux ont été menés en collaboration avec Schneider Electric dans le cadre d’un contrat CIFRE. Plusieurs essais de vieillissement accéléré ont été effectués sur un total de 111 condensateurs provenant de fabricants différents. Une première campagne de test s’est focalisée sur un vieillissement dans des conditions fixes en tension alternative et en température. La seconde a ajouté la contrainte de l’humidité. Des analyses post-mortem ont montré que les différentes campagnes de vieillissement conduisaient à la prévalence d’un type de mécanisme de défaillance spécifique. La première campagne a mis en évidence les effets des auto-cicatrisations et la seconde, ceux de la corrosion. Grâce à ces résultats, des modélisations de l’évolution de la capacité selon ces deux mécanismes ont pu être établies. Ces dernières ont été validées par les données au regard de lois existantes. Une première modélisation de la dégradation de la résistance de métallisation sous l’effet d’auto-cicatrisations a également été proposée. En parallèle, un grand nombre d’emballements thermiques de condensateurs ont pu être constatés. Grâce à des relevés d’indicateurs de santé, mesurés en temps réel, une étude approfondie du processus a pu être réalisée. Des signes précurseurs du claquage thermique ont été mis en évidence. Il devient ainsi possible de détecter précocement les emballements et d’agir pour prévenir leurs dégâts. Sur ce principe, une méthode générique de prévention des risques de claquages thermiques a été proposée. Sa faisabilité a été démontrée et évaluée expérimentalement
Widely used, the metallized film capacitors are a common cause of electronic system failure. Some of their failures can lead to serious accidents and severe damage to their surroundings, such as explosions or fires. In addition to these safety issues, the failures analysis is justified by the economic issues related to the maintenance of these systems. The objective is to estimate the remaining useful lifetime and to prevent the sudden failures. Nowadays, the most used ageing laws require performing preliminary ageing tests to identify their parameters and enable their extrapolation. These parameters strongly depend on the series and the manufacturer of the capacitor itself. For these reasons, these ageing laws are costly to use and not robust. Other types of laws based on stochastic processes and related to failure mechanisms are emerging. However, their robustness and predictive capability need to be evaluated. Finally, even if measures are implemented to reduce the occurrence of catastrophic failures, risks persist. There is a need to prevent these types of failures without solely relying on the internal characteristics and the background of the capacitors. To address these issues, this work was carried out in collaboration with Schneider Electric as part of a CIFRE contract. Several accelerated ageing tests were carried out on a total of 111 capacitors from different manufacturers. The first test campaign focused on ageing under fixed conditions of alternating voltage and temperature, while the second added the additional constraint of humidity. Post-mortem analysis revealed that the different ageing campaigns led to the prevalence of a specific type of failure mechanism. The first campaign highlighted the effects of self-healing, and the second, those of corrosion. Based on these results, models of the capacitance evolution according to these two mechanisms were established. These were validated by the data in comparison to some existing laws. A first model based on the metallization resistance degradation due to self-healing effects was also proposed. Simultaneously, a large number of thermal runaways on capacitors were observed. Through real-time health indicator measurements, an in-depth study of the process was conducted. Early signs of thermal breakdown were identified. These results enable the early detection of thermal runaway and the implementation of damage prevention measures. Based on this principle, a generic method for preventing the risk of thermal breakdown was proposed. Its feasibility has been demonstrated and experimentally evaluated

Les condensateurs a films metallises subissent des phenomenes disruptifs appeles autocicatrisations, extinction spontanee d'une decharge. L'ajout de certains liquides, classique en electrotechnique, dans ces systemes peut provoquer une defaillance anormalement rapide du condensateur. L'analyse des interactions physico-chimiques, hors champ electrique, entre un film de polypropylene metallise et divers liquides impregnant permet d'expliquer la defaillance de certains systemes si ces derniers sont des agents trop fortement gonflant. La degradation de la metallisation est quantifiee par l'augmentation de la resistance superficielle avant et apres impregnation. Les mesures experimentales de l'impulsion de courant issue de l'autocicatrisation d'un defaut d'une unique couche de polypropylene metallise montrent que la destruction de l'electrode suit les memes constatations que les mesures realisees anterieurement dans des condensateurs metallises. Un modele thermique decrit les surfaces detruites en tenant compte uniquement du chauffage par effet joule de la metallisation. Ce modele est valide par les mesures experimentales. L'extinction de la decharge lors d'une autocicatrisation vient de la diminution au cours du temps de la densite volumique de puissance dissipee, pour chauffer le plasma d'aluminium, en dessous d'une valeur critique. Ce seuil d'existence du plasma est fonction de la densite du plasma, ce qui explique l'extinction plus rapide d'une decharge confinee. En effet, l'analyse de la lumiere emise par la decharge non-confinee et confinee montre que le plasma est mille fois plus dense dans le second cas. Le liquide impregnant subit quant a lui une decharge de forte densite de puissance, conduisant a la formation de carbone en suspension. La quantite de carbone qui sedimente est predite par un modele thermodynamique simple, anterieurement applique a la degradation du film de polymere. Ces particules diminuent l'aptitude du liquide a rester isolant pendant les quelques ms suivant une decharge. Les liquides dont le rapport c/h> 0,6 voit leurs proprietes dielectriques chuter en dessous de 30% de la rigidite initial. Ce seuil correspond au champ issu des couches voisines du defaut dans un condensateur et implique une defaillance globale du condensateur par re-allumage successif de la decharge.

Ce travail est consacré à l'étude des charges carbonées et des films composites de supercondensateur à électrolyte organique. Nous avons dans un prmier temps abordé les charges carbonées, matériaux principaux des films composites. Ces matériaux carbonés ont été caractérisés tant au point de vue de la morphologie du squelette carboné que de la chimie surface. Des modifications des groupements fonctionnels montrent l'impact néfaste de ces groupements sur le vieillissement du composant. La mise au point de méthodes originales de caractérisation macroscopiques des films composites a permis d'aborder l'influence des paramètres de réalisation sur les propriétés des films. Enfin, l'analyse de la concurrence situe les films Batscap et a mis en évidence l'existence d'une couche interface, barrière à la diffusion des ions, entre le collecteur et le film composite
This work is dedicated to the survey of the carbonated compounds and the composite films of supercondensateur to organic electrolyte. We have in a first time approached the carbonated compounds, main materials of the composite films. This materials has been characterized so much to the point of view of the morphology of the carbon skeleton that of the chemistry surface. The modifications of the functional groupings show the ominous impact of these groupings on the ageing of the component. The clarification of macroscopic original methods of characterization of the composite movies permitted to approach the influence of the parameters of realization on the properties of the films. Finally, the analysis of the competition situates the Batscap films and put in evidence the existence of a layer interfaces, gate to the diffusion of the ions, between the collector and the composite film

Cette these porte sur des mesures de phenomenes transitoires rapides sur des films minces. En premiere partie, on etudie l'influence de l'environnement et de la nature des electrodes sur le phenomene d'auto-regeneration dans les condensateurs a films polymere metallise, par des mesures electriques ou l'auto-regeneration se manifeste par un transitoire de courant. Un circuit de tres faible inductance a ete specialement concu pour l'acquisition en monocoup de ce transitoire rapide et non-reproductible. On analyse ainsi: la decharge du condensateur, l'energie dissipee, le courant crete, sa duree, son temps de montee,. . . En fonction de divers parametres, de film (metallisation a l'aluminium ou au zinc, resistance carree, pression appliquee. . . ). Nos resultats sont compares aux mesures effectuees en 1967 par h. Heywang et au modele spacio-temporel de j. Kammermaier et al. En 1989. La seconde partie est consacree aux films supraconducteurs ybacuo epitaxie sur mgo soumis a des impulsions electriques et optiques. En reponse a une impulsion echelon de courant, le film transite vers un etat dissipatif, mais seulement a partir d'un temps bien defini t#d. Ce temps, mesure sur une dynamique de 1 a 300 ns, se compare bien qualitativement au modele de depression du parametre d'ordre de pals et wolter (1979). Sur un film polarise en courant sur-critique, l'effet d'une impulsion laser est une elevation de resistance temporaire. A condition de limiter drastiquement la fluence optique (nj/cm#2 par pulse) on distingue deux composantes dans la relaxation: la reponse bolometrique usuelle (2,4 nsec) et un second temps (8,5 nsec 2,25k et 4nsec a 3k) decroissant lorsqu'on monte en temperature. Ce resultats est attribue a l'interaction electron-phonon acoustique

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication
Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom