In der modernen Leistungselektronik spielen Optokoppler eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, Steuer- und Lastkreise galvanisch zu trennen. Doch wie funktionieren diese Bauteile genau? Was macht sie so unverzichtbar, und wie beeinflussen Alterung und Belastung ihre Lebensdauer? Dieser Artikel beleuchtet die Bauweise, Einsatzgebiete sowie die häufigsten Degradationsmechanismen von Optokopplern und zeigt, warum die regelmäßige Prüfung dieser Komponenten unerlässlich ist.
1. Funktion, Bauweise und Einsatzgebiet
Für die galvanische Trennung können unterschiedliche Komponenten eingesetzt werden. Für die Übertragung bestimmter Signale eignet sich hierbei ein sogenannter Optokoppler. Dieser besteht im Wesentlichen aus einer Leuchtdiode und einer Photodiode oder einem Phototransistor. Die Photodiode wird leitend, sobald eine ausreichende Menge an Photonen auf die Halbleiterfläche treffen. Damit wird ein elektrisches Signal in ein Lichtsignal umgewandelt, das wiederum das Gegenstück anregt und somit durchschaltet. Zwischen diesen beiden Komponenten kommt häufig noch ein Isolator zum Einsatz, falls die getrennten Spannungsversorgungen einen zu hohen Potenzialunterschied aufweisen.
In der Leistungselektronik werden solche Optokoppler häufig als Kombinationsbauteil mit einem Gate-Treiber für die Ansteuerung von Leistungstransistoren (bspw. IGBTs) eingesetzt. Damit werden Steuer- und Lastkreis galvanisch voneinander getrennt. Der Treiber besteht häufig aus einer Komplementärendstufe mit Bipolartransistoren oder MOSFETs (s. Abb. 1)
Abbildung 1: Links: Interner Aufbau eines optoelektronisch getrennten Gate-Treibers, Rechts: Interner Gehäuseaufbau mit Leuchtdiode, Photodiode und Isolator [1]
2. Lebenserwartung von Optokopplern
Eine wichtige Kenngröße zur Bestimmung einer voranschreitenden Degradation eines Optokopplers ist das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (Current-Transfer-Ratio, kurz: CTR). Dieser Wert ist das Verhältnis zwischen dem LED-Vorwärtsstrom IF und dem Ausgangsstrom Io [2, 3]:
Mit:
K: Übertragungsfaktor des optischen Pfads
Rph:Empfindlichkeit des Photodetektors (definiert als Elektronen des Photostroms pro Photon
η: Quanteneffizienz des Emitters (definiert als emittierte Photonen pro Elektron am Eingangsstroms) als Funktion des Vorwärtsstroms iF, der Temperatur T und der Zeit t
β: Verstärkungsfaktor des Ausgangs in Abhängigkeit des Photostroms ip, der Temperatur T und der Zeit t.
Setzt man dieses Verhältnis in Relation zum ursprünglichen Wert CTR0, so kann eine Veränderung mit der Zeit Aufschluss über eine eingeprägte Alterung liefern.
Jeder Faktor der obigen Gleichung unterliegt einer gewissen Degradation:
Übertragungsfaktor
Photodetektor-Empfindlichkeit
Quanteneffizienz
Verstärkungsfaktor
Die größte Abhängigkeit der Lebensdauer eines Optokopplers liegt im Bereich der Quanteneffizienz. Mit der Zeit nimmt der Photonen-Output der Leuchtdiode durch Reduzierung der Rekombinationsmöglichkeiten in der Verarmungszone ab. [3, 4]
Die mittlere Ausfallzeit (Mean Time To Failure, kurz: MTTF) bei Optokopplern wird vorrangig durch die Stromdichte JF und die Sperrschichttemperatur TJ bestimmt [2, 3]:
Mit:
α: Kombinationsfaktor aus einer Technologie-Konstanten und einem Korrekturfaktor
JF: Stromdichte an der Diode [A/cm2]
EA: Aktivierungsenergie [eV]
kB: Boltzmann-Konstante [eV/K]
TJ: Sperrschichttemperatur [K]
Dabei hat die Temperatur einen exponentiellen und die Stromdichte einen reziprok-quadratischen Faktor auf die mittlere Ausfallzeit.
3. Ausfallmechanismen von Optokopplern
Aus den möglichen Degradationseffekten können unterschiedliche Folgen abgeleitet werden:
Erhöhte Verlustleistung im Treiber (und damit eine höhere Wärmeentwicklung)
Auslassen von vereinzelten Schaltpulsen (und damit ggf. Eintreten von unerlaubten Schaltzuständen)
Einschränkung des zuverlässigen Ein- oder Abschaltens über die Treiberschaltung
Grundsätzlich sind die Fehlermechanismen in optoelektronischen Bauteilen vielmehr als Alterungserscheinungen zu werten. Allerdings investieren hier mittlerweile einige Hersteller in beschleunigte Alterungstests. Hierbei werden meistens die Temperatur und Stromstärke derart manipuliert, dass man von einer beschleunigten Alterung sprechen kann [2].
Beispielsweise wird der Beschleunigungsfaktor von Würth folgendermaßen beschrieben:
Mit:
AF: Acceleration Factor [h]
Itest: Im Stresstest verwendeter Strom [A]
Inorm: Typischer Strom unter normalen Bedingungen [A]
Ttest: Im Stresstest verwendete Temperatur [K]
Tnorm: Typische Betriebstemperatur [K]
EA: Aktivierungsenergie [eV]
kB: Boltzmann-Konstante (8,62⋅10-5 eV/K)
N: Exponent, hier: N = 2
So kann bspw. bei einer Betriebsdauer von 1.000 h und einer Test-Temperatur von 110 °C (bei Normaltemperatur von 80 °C) und einem Test-Strom von 30 mA (bei einem Normalstrom von 5 mA) eine Alterung von etwa 25 Jahren Betriebszeit simuliert werden.
4. Fazit
Es ist unerlässlich, dass die Treiberschaltungen funktionstüchtig sind, um die Leistungselektronik zuverlässig schalten zu können. Hierzu gehören auch die optoelektronischen Elemente, die bei der Eternus Technology GmbH auf Herz und Nieren geprüft werden.
Als wichtige Faktoren der fortschreitenden Degradation sind bei diesen Bauteilen der Strom und die Temperatur zu nennen.
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[1] A.S. Kamath et al. (2024): Understanding Failure Modes in Isolators, 2024 in der Isolation Interface Group Texas Instruments.
[2] D. Köck (2021): Lebensdauer von Optokopplern, Application Note von Würth Elektronik, AN0006.
[3] T. Bajenescu (1995): CTR Degradation and Ageing Problem of Optocouplers, Conference: Solid-State and Integrated Circuit Technology, 1995 4th International Conference CH-1093, DOI: 10.1109/ICSICT.1995.499774.
[4] E. Kiljo [2020]: Optocoupler Breakage in Frequency Converter Use, Master-Thesis von der Aalto University, School of Engineering.