Optocoupler Breakage in Frequency Converter Use

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-12-14
Department
Major/Subject
Advanced Materials and Photonics
Mcode
ELEC3035
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
67
Series
Abstract
Optocouplers are a special type of electrical device, designed to allow a signal to pass between two galvanically isolated circuits. The key internal components are an LED and a photodetector, the simplest form of the latter is just a photodiode, but phototransistors and photodarlingtons are usually used instead. The motivation for this thesis topic came from the observation that optocouplers were breaking relatively often in frequency converter circuits, and the aim of this work is to find a suggestion for testing optocouplers intended for this use and thus improve reliability. The reasons why electrical isolation would be desired vary depending on the application, but some common ones are the wish to eliminate electrical interference from the signal, user safety against dangerous electrical shock, as well as protecting delicate components from voltage spikes. Unfortunately, complex devices are affected by several failure mechanisms, and damage to even one critical section can cause the whole device to fail or at least diminish its efficiency below the acceptable threshold. After all, the overall efficiency of an optocoupler is the product of the individual efficiencies of its parts. This work focuses mostly on intrinsic failure mechanisms. Defining reliability and the challenges in improving it are relevant discussions. More reliable processes with more accurate screening or monitoring steps are of course more costly and time consuming. This might mean that the highest possible reliability is not worth the effort to achieve, and therefore it is important to be able to manage the level of reliability in comparison to these other concerns. There are several different ways to test the reliability of optocouplers, and they can be divided to groups based on the stressor. Based on failure report data of optocouplers in frequency converter devices that was provided by ABB Ltd., it was possible to conclude that the most relevant concerns in this use are related to high temperature and humidity tolerance. Other possible testing angles for optocouplers in different applications include durability against radiation, ionic contamination and mechanical stress. At the end of the thesis, a test process with a suitable circuit design is presented. The plan is primarily made to accelerate optocoupler degradation with high temperature, but the possibility of adding a humidity stress aspect is also considered.

Optoerottimet ovat erityisiä elektronisia laitteita, jotka on suunniteltu välittämään signaali kahden toisistaan galvaanisesti eristetyn piirin välillä. Oleellisimmat sisäiset komponentit ovat ledi ja valokenno, joista jälkimmäinen on yksinkertaisimmillaan pelkkä fotodiodi, mutta yleisemmin käytetään fototransistoria tai fotodarlingtonia. Tämän työn tarpeellisuus perustuu havainnolle, että optoerottimet ovat vikaantuneet verrattain usein taajuusmuuttajapiireissä. Työn tavoite on määritellä miten tähän käyttöön tarkoitettuja optoerottimia voisi testata ja siten parantaa luotettavuutta. Syyt sähköisen eristyksen tarpeeseen vaihtelevat laitteesta riippuen, mutta joitakin tyypillisimpiä ovat häiriöiden eliminoiminen tulosignaalista, käyttäjän suojaaminen vaarallisilta sähköiskuilta sekä herkkien komponenttien suojeleminen jännitepiikeiltä. Valitettavasti monimutkaisia laitteita vaivaavat monet vikamekanismit, ja koko laite saattaa hajota tai sen toiminta vähintäänkin heikentyä, jos yksikin kriittinen osa vaurioituu. Optoerottimen tehokkuus on loppujen lopuksi kaikkien sen yksittäisten osien tulo. Tämä työ keskittyy enimmäkseen komponentin sisäisiin vikamekanismeihin. Luotettavuuden ja sen parantamiseen liittyvien haasteiden määrittely ovat oleellisia huomionaiheita. Luotettavammat prosessit, joihin kuuluu tarkempia seulonta- ja valvontavaiheita, ovat luonnollisesti kalliimpia ja vievät enemmän aikaa. Tämän vuoksi korkeimman mahdollisen luotettavuuden tason tavoittelu ei välttämättä ole vaivan arvoista. Siksi onkin tärkeää pystyä hallinnoimaan luotettavuuden tasoa suhteessa muihin vaatimuksiin. Optoerottimien testaamiseen on monia keinoja, jotka voidaan jaotella ryhmiin rasituslähteen mukaan. Perustuen ABB Oy:n tarjoamiin vikaraportteihin, jotka käsittelivät optoerottimia osana taajuusmuuttajaa, oli mahdollista todeta, että merkityksellisimmät vikaantumisen syyt liittyvät korkeaan lämpötilaan ja kosteuteen. Muita mahdollisia lähestymistapoja testata optoerottimia muissa käyttötarkoituksissa ovat säteilyn ja ionikontaminaation sietäminen, sekä mekaaninen rasitus. Työn lopuksi esitellään sopiva testipiiri, joka on suunniteltu kiihdyttämään optoerottimien vikaantumista korkeaa lämpötilaa hyödyntäen. Mahdollisuus yhdistää testiin myös kosteusaspekti on huomioitu.
Description
Supervisor
Sopanen, Markku
Thesis advisor
Jormanainen, Joni
Keywords
optocoupler, failure, reliability, testing, optoisolator, semiconductor
Other note
Citation