Digitalisolatoren als zuverlässige Alternative zu Optokopplern

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Dieses „Partial Discharge”-Konzept ist nicht komplett auf Digitalisolatoren anwendbar. Digitalisolatoren nutzen zwar ähnliche Gehäusematerialien, die mit „Partial Discharge” auf Fehler getestet werden müssen, zeigen jedoch bezüglich der Isolationsmaterialien andere Alterungsmechanismen. Die Haupt-Isolationsmaterialien, die im Rahmen optimal kontrollierter Halbleiter-Verarbeitungsschritte zur Herstellung der Isolationselemente verwendet werden, sind weniger anfällig für Hohlräume und somit für Teilentladungen.

Die Angabe einer bestimmten Arbeitsspannung für einen Digitalisolator, normalerweise mit V_IORM bezeichnet und auf IEC 60747 basierend, kann irreführend sein, da sie nur das Bestehen eines „Partial Discharge“-Tests bei einer bestimmten Spannung ausdrückt.

Da „Partial Discharge“ ein unvollständiger Test für die Arbeitsspannung von Digitalisolatoren ist, sind zusätzliche Tests und Charakterisierungen erforderlich. Kommende Standards vom IEC werden dies adressieren. In der Zwischenzeit obliegt es Herstellern von Digitalisolatoren zu zeigen, wie sie das Kriterium Lebensdauer bei bestimmten Spannungen garantieren.

High-Voltage Lebensdauer von Digitalisolatoren messen

Analog Devices garantiert die Arbeitsspannung seiner iCoupler-Digitalisolatoren mit anderen Tests als „Partial Discharge”. iCoupler nutzen 20 μm starke Polyimid-Isolationsschichten zwischen planaren Transformatorspulen, die Teil des Wafer-Fertigungsprozesses sind. Bei diesem Fertigungsprozess können die Isolationselemente mit jedem beliebigen Halbleiterprozess preiswert sowie mit ausgezeichneter Qualität und Zuverlässigkeit integriert werden.

Um die Lebensdauer dieser Isolationstransformatoren bei der Arbeitsspannung zu messen, wird ein High-Voltage-Endurance-Aufbau (HVE) verwendet. HVE erfolgt durch „Time to Failure“-Experimente bei Spannungspegeln, die gewöhnlich wesentlich höher als die spezifizierten Arbeitsspannungen sind.

Ladungsträgerinjektion ist der primäre HVE-Ausfallmechanismus, der in iCouplern einen Durchbruch der Isolation bewirkt. Nachdem Ladungsträger in die Polyimid-Isolation injiziert wurden, sammeln sie sich an sogenannten Traps, wo sie Energie abgeben.

Falls die abgegebene Energie hoch genug ist, brechen Verbindungen im Polyimid auf und schaffen mehr Traps. Diese bewirken weitere Raumladungskonzentrationen. Dies führt dann irgendwann zum Durchbruch der Isolation.

Durch thermodynamische Analyse kann die Lebensdauer L nach Gleichung 1 bestimmt werden [1]:

Darin ist E_t der Schwellwert des Feldes, bei dem keine Ladungsträgerinjektion auftritt. m und n sind Skalierungskonstanten.

Es wurde festgestellt, dass HVE-Daten von iCouplern sich gemäß Gleichung 2 verhalten.

Darin sind L die Zeit bis zum Ausfall bei 10 ppm und V die angelegte Dauerhochspannung.

Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Beispiel, bei dem vier Datenpunkte von hohen Spannungen ausgesetzten Mustern passend zum Modell verwendet und auf typische Arbeitsspannungen zurück extrapoliert wurden.

Die Spezifikation „eff“ (Effektivwert) bei Arbeitsspannungen ist ebenfalls leicht irreführend. Eine Spannung von 400 V_eff bedeutet in der Praxis ein sinusförmiges Umschalten zwischen +560 V und –560 V. Somit beträgt die gesamte Belastung (Spitze/Spitze) über die Isolationsstrecke 1120 V.

Wir konnten bestätigen, dass die Lebensdauer für einen bipolaren Spannungsverlauf, spezifiziert bei 400 V_eff, die gleiche ist wie bei einer Spannung von 1120 V Spitze/Spitze und zwar unabhängig vom Mittelpunkt. Datenblätter, bei denen Sicherheitskriterien entscheidend sind, sollten konservative Werte enthalten. Daher sind in den Datenblättern für iCoupler-Digitalisolatoren mit Polyimid-Isolation die Arbeitsspannungen für den ungünstigsten Fall angegeben.

Durch die Markteinführung von Digitalisolatoren ist ein bereits kompliziertes Puzzle an Sicherheitsstandards noch schwieriger geworden. Denn nicht alle Standards adressieren die Anforderungen an Digitalisolatoren mit unterschiedlichen Werkstoffen und Elementen für galvanische Isolation.

Für die Lebensdauer bei Nennbetriebsspannungen ist eine Zertifizierung, die auf der „Partial Discharge“-Methode basiert, nicht ausreichend, um wie bei Optokopplern den zuverlässigen Betrieb über Jahrzehnte im Einsatz zu garantieren.

Neue Standards werden entwickelt, um dieses Manko zu adressieren. Bis dahin müssen die Hersteller von Digitalisolatoren diese Standards mit verlässlichen Daten ergänzen, um Aussagen bezüglich einer jahrelangen Zuverlässigkeit zu untermauern. Bei iCoupler-Digitalisolatoren können auf der Basis eines beschleunigten Lebensdauertests über 50 Jahre sicherer Betrieb bei Nennbetriebsspannungen garantiert werden.

Literatur

[1] Dissado, L. A. et al.: “The incorporation of space charge degradation in the life model for electrical insulating amterials,” IEEE Trans. On Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 2, No. 6, pp 147-1158, December, 1995.

* * David Krakauer ist Product Line Manager in der Digital Isolator Group bei Analog Devices in Norwood/USA.

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