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Pendant plus de vingt ans, une norme d’optocoupleurs a permis de satisfaire les exigences d’isolation de la plupart des applications industrielles et équipements nécessitant une protection sûre face aux surtensions. Celle-ci reposait sur la norme allemande VDE 0884 finalisée en 1987 et sur la norme internationale CEI 60747-5 élaborée peu après. Au fil des ans, plusieurs révisions et améliorations ont été apportées, donnant lieu à la norme actuelle, CEI 60747-5-5 (VDE 0884-5), publiée en 2013. Considérée comme l’une des meilleures normes de composants au monde, elle a permis aux ingénieurs système de concevoir des circuits dont ils savaient que les performances d’isolation seraient à la hauteur de leurs attentes.

Avec l’évolution des technologies, de nouvelles méthodes ont été développées il y a environ dix ans pour garantir une isolation galvanique fiable, avec pour objectif d’obtenir des débits plus élevés et un transfert de courant isolé. Des circuits à couplage capacitif - et plus tard magnétique – ont ainsi pu être intégrés dans un boîtier de puce. Cela a permis d’accroître considérablement les performances de ces isolateurs numériques par rapport à celles des optocoupleurs disponibles sur le marché, notamment en termes de rapidité.

Outre les difficultés et les enjeux techniques auxquels la nouvelle technologie s’est trouvée confrontée dans les premiers temps, on déplore également l’absence d’une norme mondiale propre aux coupleurs magnétiques et capacitifs, alors même que ces coupleurs n’ont cessé de gagner des parts de marché.

Une nouvelle norme pour les coupleurs magnétiques et capacitifs

En 2003, la commission électrotechnique allemande (DKE), qui opère au sein de la VDE (association pour les technologies de l’électricité, de l’électronique et de l’information), a débuté des travaux sur l’élaboration d’une norme spécifique aux coupleurs magnétiques et capacitifs, travaux qui ont débouché sur une première révision de la norme VDE 0884-10 en 2006. En 2011, des travaux ont été tentés sur la norme internationale équivalente CEI 60747-17 : ceux-ci ont été stoppés faute d’avoir pu réunir la masse critique suffisante, à savoir quatre experts de quatre pays différents.

Durant l’été 2014, une deuxième édition de la norme allemande VDE 0884-10 a été finalisée. Celle-ci apporte des améliorations notables par rapport à la révision précédente et par rapport à la norme d’optocoupleurs actuelle (voir détails ci-dessous). En novembre 2014, cette deuxième édition a été soumise à l’approbation de la Commission électrotechnique internationale (CEI) pour servir de base à un nouveau projet de travail et obtenir la nomination d’un nombre suffisant d’experts.

Comment les isolateurs capacitifs ont-ils été certifiés jusqu’à maintenant ?

En l’absence d’une norme spécifiquement dédiée aux coupleurs magnétiques et capacitifs, les industriels ont dû, depuis presque dix ans, faire certifier ces produits par rapport à la norme d’optocoupleurs existante (CEI 60747-5-5 ou la norme antérieure CEI 60747-5-2). Certains laboratoires d’essais et de certification ont accepté, à titre exceptionnel, de certifier des coupleurs magnétiques et capacitifs par rapport à la norme susmentionnée en soumettant le matériel aux mêmes tests que les optocoupleurs, une pratique acceptée par l’industrie.

Toutefois, en mai 2014, la DKE a mis un terme à cette pratique qui n’est donc désormais plus possible dans les laboratoires d’essais et de certification de la VDE. Par ailleurs, toutes les certifications de coupleurs magnétiques et capacitifs délivrées sur la base de la norme CEI 60747-5-5 devront été re-délivrées sur la base de la norme allemande VDE 0884-10 Edition 1, et plus tard sur celle de l’Edition 2 de cette norme (dont la publication est attendue en décembre 2014). D’autres laboratoires d’essais et de certification, notamment en dehors de l’Allemagne, pourraient continuer de certifier les produits par rapport à la norme applicable aux optocoupleurs, la décision de la DKE n’étant pas contraignante pour eux. Néanmoins, la nouvelle norme VDE 0844-10 Edition 2 étant beaucoup plus stricte, la norme sur les optocoupleurs n’a plus vraiment de raison d’être utilisée.

Quelles sont les différences entre les normes VDE 0884-10 Edition 2 et CEI 60747-5-5 ?

Pour résumer, il y en a peu ! Toutefois, les améliorations apportées à la norme VDE 0084-10 Edition 2 ont eu pour effet d’établir un degré de rigueur sans précédent en matière de normes de composants. Le Tableau 1 récapitule les principales différences. La tension de fonctionnement maximum VIORM est un paramètre clé sur lequel les ingénieurs se basent en priorité pour déterminer les performances d’isolation d’un coupleur lorsqu’une tension élevée est appliquée à travers la barrière d’isolation tout au long de la durée de vie du produit.

Pour les optocoupleurs, l’essai de décharge partielle (PD) est utilisé pour déterminer la tension de fonctionnement maximum VIORM. Cet essai dure une seconde lors de la production et de la qualification du dispositif. Un essai permettant de déterminer la tension VIORM est également réalisé pour les coupleurs magnétiques et capacitifs. Dans ce cas, toutefois, on utilise une méthode plus moderne consistant à déterminer la tension VIORM à partir d’une analyse TDDB (rupture diélectrique en fonction du temps).

La méthode de l’analyse TDDB est largement employée dans le secteur des semi-conducteurs et dans d’autres secteurs industriels. Elle permet d’en savoir davantage sur la durée de vie en soumettant le produit à des conditions de contraintes accélérées. Pour les systèmes automobiles, par exemple, le paramètre accéléré est la température : cela permet d’estimer la résistance du produit à des températures de fonctionnement élevées. Dans le cas des coupleurs magnétiques et capacitifs, la tension d’essai est portée à des niveaux supérieurs, tels que 5 kV, 6 kV, 7 kV et ainsi de suite. Selon la tension d’essai, cela peut prendre des jours, des semaines, des mois, voire davantage, pour provoquer une rupture de la barrière d’isolation. Conformément à la norme VDE 0884-10 Edition 2, au moins un point de données doit excéder 10e7 secondes (116 jours) avant défaillance. Par ailleurs, les essais et la tension d’essai doivent être choisis de manière à correspondre aux pires conditions (température, forme d’onde).

Sur le graphe de Weibull, on obtient des points (X1, X2 … Xn) correspondant à un taux de défaillance donné (Tableau 1, ligne 5 pour les taux ppm). La dépendance entre la durée de vie et la contrainte de tension peut alors être tracée (Figure 1). Pour le dioxyde de silicone (SiO2), on obtient une courbe linéaire, tandis que pour le film polymère fin, on obtient une courbe 1/V. Au point d’intersection de la courbe et de la durée de vie requise (37,5 ans pour le niveau renforcé : nouvelle exigence de la norme VDE0884-10 Ed.2), on peut tracer une ligne jusqu’à l’axe des abscisses et déterminer ainsi la tension de contrainte correspondant à ce point de durée de vie. Cette tension est ensuite divisée par 1,2 (facteur d’extrapolation pour la marge) et permet, au final, d’obtenir la tension de fonctionnement maximum VIORM.

Cette procédure permet d’obtenir, avec toute la rigueur scientifique voulue, une estimation pour une durée de vie de 37,5 années. La dépendance entre durée de vie et tension de contrainte est clairement mise en évidence. Elle permet une estimation fiable de la tension de fonctionnement maximum pour une durée de vie plus longue ou plus courte. Grâce à cette méthode, les ingénieurs bénéficient d’une grande transparence et d’informations précieuses, au-delà de la seule tension de fonctionnement. Dans le cadre de la norme sur les optocoupleurs, aucune estimation de durée de vie n’est exigée en dehors de l’essai de décharge partielle.

Quelques mots sur le taux de défaillance maximum

La norme VDE 0884-10 Edition 2 stipule que le taux de défaillance d’une barrière d’isolation renforcée ne doit pas excéder 1 ppm, une exigence qui garantit de très hauts niveaux de qualité. Dans le cas d’une isolation de base, les critères sont différents puisque la norme requiert un taux de défaillance de la barrière d’isolation inférieur à 1000 ppm. Un tel taux peut sembler élevé, surtout quand on sait qu’un taux > à 300 ppm est perçu comme catastrophique et comme pouvant entraîner un arrêt immédiat de la chaîne de production. Toutefois, le taux de 1000 ppm indiqué dans la norme VDE 0884-10 Edition 2 doit s’entendre sur toute la durée de vie prévue, à savoir 26 ans (20 x 1,3), à une tension de fonctionnement maximum et dans les pires conditions de température. Si l’on considère une répartition linéaire de ces 1000 ppm sur les 26 années, on obtient alors un taux de défaillance d’environ 38 ppm. De plus, ce taux de défaillance ne sera pas constant dans le temps, mais augmentera en approchant de la fin de vie du produit. Par conséquent, le taux réel sur la durée de fonctionnement attendue sera bien inférieur à 38 ppm dans le cas des isolateurs de base, même dans les pires conditions de fonctionnement.

Si l’on adopte la même approche pour le taux de défaillance des isolateurs renforcés (à savoir < 1 ppm), on est largement en-dessous des meilleurs taux de défaillance constatés sur le marché, un gage de confiance qu’appréciera sans nul doute n’importe quel ingénieur système.

Conclusion

Pendant plusieurs décennies, les optocoupleurs ont connu un bel essor dans de nombreux secteurs industriels, même sans être tenus de garantir de solides performances de durée de vie concernant la barrière d’isolation. Ce succès, les optocoupleurs le doivent notamment à la norme qui les régit, une norme parfaitement bien définie dont s’est d’ailleurs inspirée la nouvelle norme VDE 0884-10 Edition 2, y ajoutant de nouvelles exigences, plus strictes, telles que la détermination de la tension de fonctionnement maximum en se basant sur la méthode scientifique TDDB d’estimation de la durée de vie. Les travaux visant à élaborer une version internationale de cette nouvelle norme devraient débuter suite à la conférence CEI de novembre 2014. La finalisation de cette norme prendra certes du temps, mais que les industriels se rassurent : la norme VDE 0884-10 Edition 2 leur apporte déjà toutes les garanties dont bénéficient les optocoupleurs, ainsi qu’un certain nombre de garanties supplémentaires. De quoi changer la donne !

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