Optokoppler für automotive Anwendungen - HANSER automotive

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Bild 1: Aufbau
eines Optokopplers
ISOLATIONSBAUTEILE IN
AUTOMOBIL-APPLIKATIONEN
Optokoppler
für automotive Anwendungen
Die Nachfrage nach neuen Isolations-Bauteilen in Automobil-Anwendungen
wächst sehr schnell – besonders seit der Einführung der Hybrid-Technologie.
Obwohl die Automobil-Optokoppler von Avago als neue Produkte auf
dem Markt gelten, werden sie in Wirklichkeit bereits seit mehr als zehn
Jahren erfolgreich in hybriden Automobilprojekten eingesetzt – allerdings
als Industriegüteklasse-Produkte.
Heute reicht es auf dem Markt nicht mehr aus, alle
aktuellen Automobil-Isolationsapplikationen mit
Industriegüteklasse-Produkten abzudecken –
das betrifft besonders Anwendungen, die eine große
Funktionssicherheit über einen langen Zeitraum bei
hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 125 °C
erfordern. Natürlich gibt es bereits bewährte, hermetische
Optokoppler-Produkte für den Einsatz in der Luftund
Raumfahrt, die diesen hohen Temperaturanforderungen
entsprechen – jedoch sind diese oft zu teuer für
Automobilanwendungen.
Die Optokoppler-Technologie
Die wichtigsten Bauteile eines Optokopplers sind ein Fotodetektor-IC
und eine LED (Bild 1). In der Praxis kann das
Fotodetektor-IC mit kleinen oder auch ohne Modifikationen
für den Einsatz in Automobilen mit hohem Temperaturbereich
umqualifiziert werden. Bei der LED allerdings bedarf
es grundsätzlicher Überlegungen. Nicht ohne Grund haben
einige technische Mitbewerber und auch Kunden Bedenken
gegenüber dem Einsatz von Optokoppler-LEDs bei
hohen Umgebungstemperaturen.
LEDs neigen bei hohen Umgebungstemperaturen potenziell
dazu, einer verstärkten Alterung und einem Lichtleistungs-Abfall
zu unterliegen. Jedoch hat die kontinuierliche
Weiterentwicklung im Design und in der Verarbeitung von
LEDs zu einer wesentlichen Verbesserung bei der spezifischen
Alterung und der Temperatur-Drift auch beim Einsatz
in Optokopplern geführt.
Bei der Herstellung qualitativ hochwertiger Optokoppler-
LEDs gibt es zwei entscheidende Beurteilungsmaßstäbe:
das LED-Design und den Produktions-Prozess.
Hier können betriebsinterne Entwicklung und Forschung
im Bereich der III/V-Verbindungshalbleiter und Produktionskapazitäten
im eigenen Unternehmen technische Vorteile
bieten, wenn LEDs für die innovative nächste Generation
von Optokoppler-Produkten entwickelt und produziert
werden.
Die neueste Generation von Optokoppler-LEDs mit Automobilgüteklasse
von Avago profitiert von einer Reihe von

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Produktverbesserungen (Bild 3):
• Höhere interne Lumineszenzausbeute
• Niedrigere Durchlass-Spannung
• Verbessertes Stromflussverhalten
Diese Produktverbesserungen haben
nicht nur einen direkten Einfluss auf
das spezifische Verhalten der LED,
sondern bieten auch weitere Vorteile,
wie z. B. die Reduktion des notwendigen
Eingangsstromes, womit die
Verringerung der internen Leistungsverluste
und damit auch der Sperrschicht-Temperatur
einhergehen.
LED – Betriebsdauer
Das Zusammenspiel der Produktverbesserungs-Faktoren
zeigt sich in der
Performance beim Lebensdauer-
Belastungstest, wie in Bild 4 zu
sehen.
Inwiefern diese Daten in die Lebenserwartung im Fahrzeugeinsatz
übernommen werden können, ist noch nicht
abschließend geklärt. Nimmt man beispielsweise 2.000
Stunden als Bezugspunkt, so zeigt sich in der Grafik, dass
das Stromübertragungsverhältnis des automobilen Optokopplers
bemerkenswert stabil bleibt.
Ein nicht unwesentlicher Punkt ist zudem, dass diese
Daten mit LEDs aus vielen Wafer-Fertigungslosen ermittelt
wurden, somit ergibt sich das extrem enge Streuverhalten
aus einem hochkontrollierten Fertigungsprozess.
Bild 2: Elektromotoren-Antriebssystem beim Hybrid-Fahrzeug.
© automotive
Bereich, in dem ein spezifisches LED-Design Vorteile erzielen
kann, denn die Automobil-LEDs von Avago beispielsweise
erreichen eine Lichtleistungsdrift von weniger als 20
Prozent über demselben Temperaturbereich.
Da die Durchgangsspannung der LED durch einen negativen
Temperaturkoeffizienten charakterisiert ist und die
LED von einer Festspannungsquelle gespeist wird, lässt
sich ein zusätzlicher Kompensationsfaktor von 10 Prozent
erzielen. So ergibt sich eine Stromübertragungsdrift von
weniger als 10 Prozent über einem 100-°C-Bereich.
Parametrische Temperaturdrift
Nicht nur die LED-Alterung wird bei Optokopplern in hohen
Umgebungstemperaturen als problematisch angesehen.
Lichtleistungsdrift über einen hohen Temperaturbereich
kann auch indirekt wichtige Parameterwerte wie die Laufzeitverzögerung
beeinflussen.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass Optokoppler eine Stromübertragungsdrift
von bis zu 60 Prozent über einen Temperaturbereich
von 100 °C erreichen. Dies ist ein weiterer
Bild 3: LED-Design und Produktverbesserungen.
© automotive
Hochspannungssicherheit
Viele neu entwickelte Isolations-Applikationen in der Automobilbranche
benötigen sowohl eine sichere Hochspannungsisolation
als auch die Möglichkeit der einfachen
Spannungspegelverschiebung.
Die Norm schreibt vor, dass generell alle Spannungen über
50 V Wechsel- oder 70 V Gleichspannung sicher isoliert
werden müssen. Bezieht man die Anwendersicherheit mit
ein, so wird die ausgestaltete Bandbreite dementsprechend
nach oben angepasst.
Sichere Spannungsisolation geht Hand in Hand mit verstärkter
Isolation, und diese wird allgemein als doppelte
Isolation verstanden. Viele etablierte IEC-Standards akzeptieren
keine einlagige Folien-Isolation als verstärkte Isolation
zwischen Hochspannungsschaltkreisen und sicheren
Niederspannungsschaltkreisen. Wird ein mehrlagiges
Folien-Material eingesetzt, muss die Eingangstestspannung
150 Prozent (3 oder mehr Lagen) oder 200 Prozent (2
Lagen) der Testspannung betragen.
Avago Technologies erreicht die Anforderungen der doppelten
Isolation in seinen automobilgeeigneten Optokopplern
durch doppelte Isolation mit einer Verbundwerkstoff-
Konstruktion von Polyamidfolien und Polyorganosiloxan
(Silikon).
Zusätzlich werden zwei grundsätzliche Produktionssicherheitstests
bei automobilgeeigneten Optokopplern von
Avago angewandt. Der erste Test ist der Dielektrik-Test

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Bild 4: Lebensdauer-Belastungstest bei hohen Temperaturen.
© automotive
nach UL1577, bei dem 5000 V eff an das Bauteil angelegt
werden. Die Höhe des Kriechstromes ist ausschlaggebend
für das Bestehen des Tests. Der zweite Test ist der Optokoppler-Teilentladungstest
nach IEC607475-5, der das
1,875-fache der Nennarbeitsspannung verwendet und bei
dem die Erkennung von Teilentladungen Testkriterium ist.
Grundsätzlich ergeben nur diese Produktionstests ein
zuverlässiges Bild der Fähigkeiten eines neuen Isolators.
Natürlich ist es wünschenswert, einen Isolator einzusetzen,
der definitiv eine Sicherheitsleistung über die gesamte
Lebensdauer des Endproduktes liefert. Das ist umso
wichtiger, wenn Alterungsfaktoren wie hohe Temperaturen
eine Rolle spielen. Gute Hochspannungsstandzeiten sind
nicht implizit. Im Gegenteil kann ein Isolatorbauteil zwar die
erforderlichen Normtests bestehen, aber trotzdem eine
geringe Immunität gegenüber Hochspannungsdegradation
aufweisen. Dies gilt vor allem für Isolationen ohne Optokoppler,
die sehr dünne Isolationsmaterialien einsetzen,
wie beispielsweise auf Mikromagnetspulen aufgebaute
Isolatoren.
durch die sorgfältige Auswahl des Isolationsmaterials
reduziert werden. Neben der
Materialart ist auch der Fabrikationsprozess
des Isolationsmaterials entscheidend. So
bildet zum Beispiel eine mittels Spin-Coating
aufgebrachte Polyamidbeschichtung
mehr Mikroporen als eine vorgeformte
homogene Polyamid-Folie. Als plastischen
Vergleich kann man sich Schnee im Gegensatz
zu einer Eisfläche vorstellen. Es gibt
durchaus Test-Methoden zur Erkennung
von Poren in Isolationsmaterialien, z. B.
durch das Testen von Teilentladungen. Aber
leider eignen sich diese Tests nur für das
Erkennen größerer Poren; Mikroporen in
der Hochspannungsdegradation sind mit
üblichen Messvorrichtungen nicht zu detektieren.
Der zweite Negativfaktor im Prozess der
Hochspannungsalterung ist die Raumladungsinjektion.
Raumladungen werden in das Isolationsmaterial injiziert,
sobald eine Hochspannung anliegt. In Bezug auf die Menge
der injizierten Raumladungen sind die ausschlaggebenden
Faktoren die Dicke des Materials und das anliegende elektrische
Feld, woraus sich die Durchschlagsfestigkeit in
kV/mm ergibt. Andere wichtige Faktoren sind die Arbeitstemperatur
sowie Typ und Frequenz der anliegenden Hochspannungsbelastung.
Um eine kontinuierliche und sichere Isolation bei hohen
Arbeitstemperaturen zu garantieren, besitzen alle Automobil-Optokoppler
von Avago ein dickes, homogenes Polyamid-Isolationsmaterial,
das gleichzeitig den Vorteil hat,
Mikroporen und Raumladungsinjektionen zu minimieren.
Fazit
Abschließend kann man feststellen, dass die Optokoppler
auf Kunststoff-Basis den Anforderungen von Automobil-
Applikationen in hohen Temperaturbereichen absolut entsprechen.
(es)
Isolationsabbau
Ein weithin bekannter Grund für eine Isolationsverschlechterung
ist das Zusammentreffen von injizierten Raumladungen
in Mikroporen. Reduziert man entweder die injizierte
Raumladung oder die Mikroporen oder beides, kann
man dieser Ursache des Hochspannungsalterns wirksam
entgegensteuern.
Mikroporen sind in jedem Isolationsmaterial unvermeidbar.
Anzahl und Größe der Mikroporen jedoch können merklich
Patrick Sullivan ist seit 1995 Ingenieur für
Forschung und Entwicklung von Isolatoren
bei Avago Technologies.
Avago Technologies
@ www.avagotech.com