Fiabilidad de la seguridad de los aisladores digitales

Los diseñadores no añaden el aislamiento galvánico a sus sistemas porque quieran, sino porque están obligados a cumplir las normas de seguridad nacionales o internacionales. El inconveniente es que el aislamiento se coloca directamente en una ruta de datos, lo que introduce retrasos y ralentiza el rendimiento del sistema. Añadir aislamiento también aumenta el consumo de energía, el tamaño y el coste. Son compensaciones desafortunadas. Durante años, los diseñadores han utilizado optoacopladores y han gestionado estas compensaciones a regañadientes, pero una nueva raza de aisladores galvánicos, los aisladores digitales, ha llegado al mercado y ha reducido estas penalizaciones. Permiten diseños más pequeños, energéticamente más eficientes y rentables, capaces de alcanzar niveles de rendimiento más altos. Sin embargo, las normas de seguridad no han seguido el ritmo, creando confusión e incertidumbre sobre si los aisladores digitales pueden lograr la única razón por la que los diseñadores utilizan el aislamiento galvánico: ¿cumplen las normas de seguridad?

La respuesta es sí: los aisladores digitales pueden proporcionar la misma seguridad que exigen las normas nacionales e internacionales. Sin embargo, a diferencia de los optoacopladores de la mayoría de los proveedores, que tienen estructuras similares, los aisladores digitales se diseñan y fabrican de forma diferente, lo que afecta a la capacidad de aislamiento, especialmente en comparación con la robusta capacidad de aislamiento de los optoacopladores. Por ello, no todas las tecnologías e implementaciones de aisladores digitales ofrecen el mismo nivel de seguridad.

Considera cuatro elementos clave del aislador:

• Material aislante
• Elemento aislante
• Arquitectura de transmisión de datos
• Paquete

Hay diferentes opciones para cada elemento, y la combinación resultante define las capacidades de un aislante. Nos centraremos en el material aislante, que es un diferenciador clave para la seguridad. Los optoacopladores utilizan diversos materiales poliméricos, incluido el compuesto de moldeo epoxi del envase. Los aislantes digitales utilizan un material polimérico similar, o poliimida, o pueden utilizar dióxido de silicio. Los materiales y el proceso de fabricación dan lugar a diferencias tanto en la vida útil del aislante como en su capacidad para soportar sobretensiones. Veamos primero las normas de seguridad y cómo se relacionan con los distintos tipos de aislantes.

Comprender los requisitos de aislamiento: la complejidad de las normas

Las normas a nivel de sistema abordan las diferencias entre las condiciones ambientales y el uso del sistema. Los requisitos de los electrodomésticos, por ejemplo, difieren de los monitores de pacientes utilizados en los hospitales o de los accionamientos de motores en las fábricas. A menudo abordan la seguridad del aislamiento utilizando normas a nivel de componentes específicas para los aislantes galvánicos. Hay tres normas de este tipo que cabe destacar:

• IEC 60747: Dispositivos semiconductores - Parte 1: Generalidades
• UL 1577: Norma para aisladores ópticos
• VDE 0884-10: Dispositivos semiconductores-Acopladores magnéticos y capacitivos para el aislamiento de seguridad

Aunque cada una tiene un objetivo similar - garantizar la seguridad del usuario, del operador y del equipo - adoptan enfoques diferentes. La norma IEC 60747 distingue entre clases de aislamiento (por ejemplo, aislamiento básico frente a aislamiento reforzado), mientras que la norma UL 1577 se centra en la capacidad de los aislantes para soportar determinados niveles de tensión durante un periodo de tiempo definido, normalmente un minuto. Es habitual que los diseñadores de sistemas confíen en la certificación de más de una de estas normas a nivel de componente para cubrir todos los posibles usos y condiciones.

El auge de los aislantes digitales ha complicado las cosas porque muchas de estas normas se redactaron en una época en la que los diseñadores estaban atascados con los optoacopladores. Las normas abordan los puntos débiles asociados a los optoacopladores y proporcionan formas de garantizar la seguridad.

Estos métodos funcionan bien para los optoacopladores; sin embargo, pueden no aplicarse a los aisladores digitales. Considera el caso de la tensión de trabajo certificada, que es la tensión aplicada continuamente a través de una barrera de aislamiento. Se espera que un aislante con una tensión de trabajo certificada soporte esta tensión durante toda su vida útil.

La norma IEC 60747 exige una prueba de descarga parcial en la producción para validar las tensiones de trabajo de los optoacopladores. Los organismos de normalización han determinado que las tensiones de inicio y fin de la descarga parcial se corresponden con las tensiones de trabajo de los optoacopladores. El proceso de fabricación utiliza el moldeo por inyección, que tiende a crear huecos en el plástico. Estos huecos pueden experimentar campos eléctricos más altos bajo tensión y provocar una degradación inducida por descargas parciales. El uso de una prueba de descarga parcial a altas tensiones detecta la presencia de huecos y puede utilizarse para rechazar piezas que, de otro modo, fallarían en el campo.

Este enfoque de la descarga parcial no es totalmente aplicable a los aislantes digitales. Los aislantes digitales utilizan materiales de embalaje similares que deben ser sometidos a pruebas de defectos mediante descargas parciales, pero hay otros mecanismos de envejecimiento asociados a los materiales aislantes. Los principales materiales aislantes utilizados para los elementos aislantes se depositan mediante procesos bien controlados a nivel de oblea y son menos propensos a los huecos y, por tanto, a la descarga parcial; sin embargo, empiezan a predominar otros mecanismos de envejecimiento. Cuando un aislante digital afirma una determinada tensión de funcionamiento, normalmente designada como VIORM, basada en la norma IEC 60747, esto puede ser engañoso, ya que sólo refleja la capacidad de superar una prueba de descarga parcial a una tensión determinada.

Dado que la descarga parcial es una prueba incompleta de la tensión de funcionamiento del aislador digital, es necesario realizar pruebas y caracterizaciones adicionales. Las futuras normas de la CEI abordarán esta cuestión e incorporarán estos nuevos métodos. Mientras tanto, es responsabilidad de los proveedores de aisladores digitales mostrar cómo garantizan el funcionamiento de por vida a las tensiones nominales de trabajo.

Medición de la vida en alta tensión de iAcoplador Aisladores digitales

Analog Devices garantiza la tensión de funcionamiento de nuestros iAcoplador^® aisladores digitales con pruebas distintas de la descarga parcial iLos aislantes de los acopladores digitales utilizan capas aislantes de poliamida de 20μm de grosor entre las bobinas planas del transformador que forman parte del proceso de fabricación de las obleas (véase la figura siguiente). Este proceso de fabricación permite integrar los elementos aislantes en cualquier proceso de fundición de semiconductores a bajo coste y con una calidad y fiabilidad excelentes. La sección transversal de abajo muestra las vueltas de la bobina superior e inferior separadas por la gruesa capa de poliamida. Los materiales de poliimida se han utilizado para el aislamiento durante muchos años; casi mil millones de iLos transformadores de acoplamiento se fabrican y utilizan de forma fiable desde hace más de diez años.

Para medir la vida útil de la tensión de funcionamiento de estos transformadores de aislamiento a escala de chip, utilizamos una configuración de resistencia de alta tensión (HVE). La resistencia a la alta tensión se consigue mediante experimentos de tiempo de fallo a niveles de tensión acelerados, normalmente muy superiores a las tensiones de funcionamiento especificadas.

La inyección de carga es el principal mecanismo de fallo del HVE que provoca el fallo del aislamiento en los aparatos. Una vez que las cargas se inyectan en el aislamiento de poliamida, pueden quedar atrapadas en lugares de captura locales donde liberan energía. Si la energía liberada es lo suficientemente alta, los enlaces dentro de la poliimida se rompen, creando más sitios de atrapamiento que conducen a un mayor atrapamiento de cargas en el espacio. Esta retroalimentación positiva acaba provocando la ruptura del aislamiento.

Mediante el análisis termodinámico¹la duración de la vida, Lpuede expresarse como sigue

donde E_t es el campo umbral en el que no se produce ninguna inyección de carga, y m, n son constantes de escala.

Los datos de HVE de iSe ha observado que los dispositivos de acoplamiento siguen

donde L es el tiempo hasta el fallo a 10 ppm, V es la alta tensión aplicada y continua.

La figura siguiente muestra un ejemplo simplificado en el que se utilizan cuatro puntos de datos de muestras estresadas de alta tensión para ajustar el modelo y extrapolar a tensiones de trabajo típicas.

Estos datos se midieron sometiendo las muestras a diferencias de potencial de modo común de 60 Hz de 800 V a 2000 V rms. Se registró el tiempo hasta el fallo de cada unidad y se resumió en el siguiente gráfico de Weibull. El tiempo hasta el fallo se extrapoló para tensiones más bajas en el rango de tensión de funcionamiento previsto.

iLa vida útil del acoplador HVE depende de si la tensión aplicada es de CA o de CC. Con tensión continua, el campo estático inhibe la liberación de energía por atrapamiento/recombinación. En consecuencia, la vida útil de la corriente continua es considerablemente mayor que la de la corriente alterna iLos productos de acoplamiento especifican siempre el peor caso de duración de la CA.

La especificación del valor eficaz de las tensiones de trabajo también es algo engañosa. Una forma de onda de 400 V rms es en realidad una sinusoide que cambia entre 560 V positivos y 560 V negativos, por lo que la tensión total de pico a pico a través de la barrera es en realidad de 1120 V. Hemos confirmado que la vida útil de una forma de onda bipolar especificada a 400 V rms es la misma que la de una forma de onda de 1120 V pico a pico, independientemente de su centro. Cuando la seguridad es primordial, las hojas de datos deben ser conservadoras para garantizar que no haya ningún peligro potencial, por lo que las hojas de datos de iLos aisladores digitales de los acopladores indican la peor tensión de funcionamiento absoluta.

Conclusión

La introducción de los aislantes digitales ha hecho aún más confuso un puzzle de normas de seguridad ya de por sí complicado, ya que no todas las normas abordan los requisitos de los aislantes digitales, que utilizan materiales y elementos diferentes para el aislamiento galvánico. Para una vida útil en determinadas condiciones de tensión de funcionamiento, la certificación basada en la descarga parcial no es suficiente para garantizar un funcionamiento seguro y fiable durante décadas de uso, como es el caso de los optoacopladores. Se están redactando nuevas normas para llenar este vacío, pero mientras tanto, los proveedores de aisladores digitales deben complementar estas normas con datos fiables que respalden las afirmaciones de fiabilidad durante décadas iLos aislantes de los acopladores digitales basados en el aislamiento de poliamida lo han conseguido y pueden garantizar más de 50 años de funcionamiento seguro a las tensiones nominales de trabajo mediante una prueba de vida acelerada.

Referencias

¹ Dissado, L.A., et al. "La incorporación de la degradación de la carga espacial en el modelo de vida de los materiales aislantes eléctricos" IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 2 , No. 6, pp. 1147-1158, diciembre, 1995.