Digitalisolation entwickelt sich zur richtungsweisenden Lösung

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Wie wurden kapazitive Isolatoren bisher zertifiziert?

Das Fehlen einer Norm speziell für magnetische und kapazitive Koppler zwang die Industrie nahezu zehn Jahre lang, diese Produkte nach der existierenden Optokoppler-Norm IEC 60747-5-5, bzw. ihrem Vorgänger IEC 60747-5-2 zu zertifizieren. Einige Prüf- und Zertifizierungsstellen willigten ein, magnetische und kapazitive Koppler im Rahmen einer Ausnahmereglung zu der erwähnten Optokoppler-Norm zu zertifizieren, indem sie das Material den gleichen Tests unterzogen wie die Optokoppler. Diese Praxis wurde seitens der Industrie akzeptiert.

Im Mai 2014 wurde diese Verfahrensweise von der DKE gestrichen, sodass sie für das Prüf- und Zertifizierungslabor des VDE keine Option mehr war. Darüber hinaus werden alle bestehenden Zertifizierungen für magnetische und kapazitive Koppler, die auf der Norm IEC 60747-5-5 beruhen, auf der Basis der VDE 0884-10 Ausgabe 1, der veröffentlichten deutschen Norm für die magnetische und kapazitive Isolation, neu erteilt (später auf der Basis der für Dezember 2014 erwarteten zweiten Ausgabe).

Andere Prüf- und Zertifizierungsstellen insbesondere außerhalb Deutschlands mögen bereit sein, Zertifizierungen weiter anhand der Optokoppler-Norm vorzunehmen, da die Entscheidung der DKE für sie nicht bindend ist. Allerdings ist die neue VDE-Norm 0844-10, Ausgabe 2 wesentlich strenger als die Optokoppler-Norm, sodass kaum Bedarf besteht, letztere weiter anzuwenden.

Unterschiede zwischen VDE 0884-10 Ausgabe 2 und IEC 60747-5-5

Es gibt nur wenige Unterschiede, aber die an der VDE 0884-10 Ausgabe 2 vorgenommenen Änderungen setzen einen neuen Maßstab für die Stringenz eines Bauelemente-Standards. Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Unterschiede. Die Arbeitsspannung ist eine entscheidende Größe, auf die sich Ingenieure als erstes konzentrieren, um die Isolationsfähigkeit eines Kopplers für den Fall zu beurteilen, dass im Laufe der Produktlebensdauer eine hohe Spannung an die Isolationsbarriere gelegt wird.

Bei Optokopplern wird die Teilentladungsprüfung (Partial Discharge Test – PD) angewandt, um die maximale Arbeitsspannung (VIORM) zu bestimmen. Diese Prüfung dauert eine Sekunde während der Produktion und der Qualifikation des Bauteils. Der VIORM-Wert wird auch bei magnetischen und kapazitiven Kopplern geprüft, allerdings wendet man hier ein moderneres Verfahren an, indem man die Arbeitsspannung durch Analyse des zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs (Time Dependent Dielectric Breakdown – TDDB) bestimmt.

Die TDDB-Analyse ist in der Halbleiterindustrie und anderen Branchen eine bekannte Methode, um Aussagen über die Lebensdauer unter den Bedingungen beschleunigter Belastungsprüfungen einzuholen. In Automotive-Systemen erfolgt die Beschleunigung beispielsweise durch Anheben der Temperatur, um über die Lebensdauer hinweg die Zuverlässigkeit eines Produkts bei hohen Temperaturen abschätzen zu können. Im Fall von kapazitiven und magnetischen Isolatoren wird die Prüfspannung auf Werte von 5 kV, 6 kV, 7 kV usw. angehoben.

Abhängig von der Prüfspannung kann es Tage, Wochen, Monate oder länger dauern, um einen Durchbruch der Isolationsbarriere zu provozieren. Gemäß der VDE 0884-10 Ausgabe 2 muss mindestens ein Datenpunkt über 107 Sekunden (116 Tagen) liegen, bevor ein Ausfall auftritt. Darüber hinaus müssen die Prüfungen und die Prüfspannungen gemäß den Worst-Case-Bedingungen (Temperatur, Wellenform) gewählt werden.

Nach dem daraus resultierenden Weibull-Diagramm erhält man die Datenpunkte (X1, X2 … Xn) für eine bestimmte Ausfallrate (Zeile 5 in Tabelle 1 mit ppm-Angaben). Die sich daraus ergebende Abhängigkeit für die Lebensdauer über der Spannung lässt sich zeichnerisch darstellen.

Während sich bei Siliziumdioxid (SiO2) eine Gerade ergibt, erhält man für Dünnschicht-Polymer eine 1/V-Kurve. Am Schnittpunkt der Kurve mit der geforderten Lebensdauer (37,5 Jahre für die verstärkte Isolation als neue Forderung der VDE 0884-10 Ausgabe 2) gibt der X-Achsenabschnitt die Spannungsbelastung für diese Lebensdauer an. Dieser Wert wird nun durch 1,2, den Extrapolationsfaktor für die Sicherheitsreserve dividiert und ergibt dann die Arbeitsspannung VIORM.

Diese Prozedur liefert eine streng wissenschaftliche Lebensdauerschätzung für eine Lebenszeit von 37,5 Jahren. Die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Spannungsbelastung ist klar ersichtlich und gestattet eine präzise Abschätzung der maximalen Arbeitsspannung für eine längere oder kürzere Lebensdauer. Dies ergibt ein hohes Maß an Transparenz und macht wertvolle Informationen für die Ingenieure verfügbar, die mehr wissen wollen als die einfache Arbeitsspannung. Im Fall der Optokoppler-Norm ist dagegen über die Teilentladungsprüfung hinaus keinerlei Lebensdauerabschätzung erforderlich.

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