Modeling the impact of temperature and moisture on the time dependent dielectric breakdown in polymeric dielectrics for galvanic isolation

The reliability of galvanic isolation devices is of critical importance in power electronics, industrial automation, and automotive applications. Polymeric dielectrics have emerged as a key material for galvanic isolation due to their advantageous electrical insulation properties, mechanical flexibility, and cost-effectiveness. However, their long-term performance is significantly affected by environmental conditions, particularly temperature and moisture. This thesis presents a comprehensive study on the impact of these factors on the Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) of polymeric insulation layers, combining experimental investigations with advanced modeling approaches to enhance predictive reliability assessments. The study begins with a review of the fundamental principles of electrical insulation and the role of galvanic isolation in high-voltage applications. A particular emphasis is dedicated to polymeric dielectrics, exploring their physico-chemical properties, charge transport mechanisms, and the degradation processes that lead to electrical failure. After that, the attention is shifted towards the experimental investigations conducted on various galvanic isolation samples to evaluate moisture absorption dynamics, temperature-induced degradation, and TDDB characteristics under different environmental conditions. The results reveal complex interactions between moisture diffusion and polymer degradation, necessitating a refined theoretical framework to describe these phenomena. To address these challenges, two modeling approaches are developed. First, a temperature-dependent degradation model is proposed, capturing the temperature activation of TDDB lifetimes. This model successfully reproduces experimental trends and offers predictive insights into the reliability of galvanic isolation materials under thermally stressed conditions. Second, a moisture-dependent TDDB model is formulated improving and extending the first one, incorporating polymer-moisture interactions. This model was able to accurately reproduce not only dielectric aging, but also moisture absorption and desorption within the polymeric matrix. The combination of experimental results and numerical modeling activities presented in this work provides a systematic methodology for assessing the reliability of polymeric dielectrics in galvanic isolation applications. In fact, the findings contribute to the optimization of insulation materials, aiding in the design of more robust and durable galvanic isolators. Furthermore, the developed models offer a foundation for future studies on the interplay between environmental factors and electrical degradation, facilitating improved lifetime predictions for next-generation insulation technologies. More specifically, the thesis is organized as follows. Chapter 1 introduces the problem of insulation failure in electrical systems, emphasizing its implications in power electronics and semiconductor devices. The role of galvanic isolation in ensuring electrical safety and reliability is discussed, along with an overview of polymeric dielectrics as insulating materials. A discussion on the statistical methodologies employed for analyzing dielectric failure data is also included. The chapter concludes by outlining the objectives and motivations of the research. Chapter 2 presents a comprehensive review of polymeric dielectrics, covering their chemical and physical structure, charge transport mechanisms, and degradation processes. The effects of environmental stresses, including temperature and moisture, on polymeric insulation performance are discussed in detail. Key reliability concerns, such as electrical treeing, partial discharge activity and microscopic degradation are examined. Chapter 3 describes the galvanic isolation samples used in the study and details the preconditioning processes required to ensure consistent testing conditions and reproducible experimental results. The experimental setup for TDDB measurements is also described. Chapter 4 reports the experimental results on the moisture absorption dynamics found in polymeric dielectrics, along with its impact on electrical properties of those materials. Then, the effects of temperature on TDDB behavior are analyzed, highlighting the activation mechanism leading to accelerated degradation. The dependence of TDDB on moisture levels is investigated, revealing correlations between dielectric failure and humidity-induced material dielectric properties variations. Chapter 5 details an original numerical compact model describing the influence of temperature on TDDB of the investigated devices. The model integrates thermally activated degradation mechanisms and percolative breakdown theories to explain observed experimental trends. Chapter 6 introduces an evolution of the modeling approach presented in Chapter 5, focusing on the role of moisture in dielectric degradation. The diffusion of water molecules within the polymer matrix and their interaction with polymeric chains are mathematically described. The model captures the progressive weakening of insulation reliability due to internal humidity and successfully replicates experimental TDDB trends under varying moisture conditions. Finally, the conclusions of the work are detailed in the final chapter, summarizing the key findings of the research, emphasizing the contributions of both experimental investigations and modeling efforts. The implications of the results for the design of more reliable galvanic isolation devices are discussed, along with suggestions for future work to further refine dielectric reliability assessments of polymer-based galvanic isolators.

L’affidabilità dei dispositivi di isolamento galvanico è di importanza fondamentale nell’elettronica di potenza, nell’automazione industriale e nelle applicazioni automobilistiche. I dielettrici polimerici si sono affermati come materiali chiave per l’isolamento galvanico grazie alle loro proprietà di isolamento elettrico vantaggiose, alla flessibilità meccanica e alla convenienza economica. Tuttavia, le loro prestazioni a lungo termine sono significativamente influenzate dalle condizioni ambientali, in particolare dalla temperatura e dall’umidità. Questa tesi presenta uno studio completo sull’impatto di questi fattori sulla rottura dielettrica dipendente dal tempo (TDDB) degli strati isolanti polimerici, combinando indagini sperimentali con approcci di modellazione avanzata per migliorare le valutazioni predittive dell’affidabilità. Lo studio inizia con una rassegna dei principi fondamentali dell’isolamento elettrico e del ruolo dell’isolamento galvanico nelle applicazioni ad alta tensione. Particolare enfasi è dedicata ai dielettrici polimerici, esplorandone le proprietà chimico-fisiche, i meccanismi di trasporto di carica e i processi di degradazione che portano al guasto elettrico. Successivamente, l’attenzione si sposta sulle indagini sperimentali condotte su vari campioni di isolamento galvanico per valutare le dinamiche di assorbimento dell’umidità, la degradazione indotta dalla temperatura e le caratteristiche TDDB in diverse condizioni ambientali. I risultati rivelano complesse interazioni tra la diffusione dell’umidità e la degradazione del polimero, rendendo necessaria una cornice teorica più raffinata per descrivere questi fenomeni. Per affrontare tali sfide, vengono sviluppati due approcci di modellazione. In primo luogo, viene proposto un modello di degradazione dipendente dalla temperatura, in grado di catturare l’attivazione termica delle durate di vita TDDB. Questo modello riproduce con successo le tendenze sperimentali e fornisce spunti predittivi sull’affidabilità dei materiali di isolamento galvanico in condizioni di stress termico. In secondo luogo, viene formulato un modello TDDB dipendente dall’umidità che migliora ed estende il primo, incorporando le interazioni tra polimero e umidità. Questo modello è stato in grado di riprodurre accuratamente non solo l’invecchiamento dielettrico, ma anche i processi di assorbimento e desorbimento dell’umidità all’interno della matrice polimerica. La combinazione dei risultati sperimentali e delle attività di modellazione numerica presentata in questo lavoro fornisce una metodologia sistematica per valutare l’affidabilità dei dielettrici polimerici nelle applicazioni di isolamento galvanico. Infatti, i risultati contribuiscono all’ottimizzazione dei materiali isolanti, supportando la progettazione di isolatori galvanici più robusti e durevoli. Inoltre, i modelli sviluppati offrono una base per futuri studi sull’interazione tra fattori ambientali e degradazione elettrica, facilitando previsioni più accurate della durata utile per le tecnologie isolanti di nuova generazione. Più specificamente, la tesi è organizzata come segue. Il Capitolo 1 introduce il problema del guasto dell’isolamento nei sistemi elettrici, sottolineandone le implicazioni nell’elettronica di potenza e nei dispositivi a semiconduttore. Viene discusso il ruolo dell’isolamento galvanico nel garantire sicurezza elettrica e affidabilità, insieme a una panoramica dei dielettrici polimerici come materiali isolanti. È inclusa anche una discussione sulle metodologie statistiche utilizzate per analizzare i dati relativi ai guasti dielettrici. Il capitolo si conclude delineando gli obiettivi e le motivazioni della ricerca. Il Capitolo 2 presenta una rassegna completa dei dielettrici polimerici, trattandone la struttura chimica e fisica, i meccanismi di trasporto di carica e i processi di degradazione. Gli effetti delle sollecitazioni ambientali, inclusi temperatura e umidità, sulle prestazioni dell’isolamento polimerico sono discussi in dettaglio. Vengono esaminati i principali aspetti di affidabilità, come il treeing elettrico, l’attività di scarica parziale e la degradazione microscopica. Il Capitolo 3 descrive i campioni di isolamento galvanico utilizzati nello studio e dettaglia i processi di pre-condizionamento necessari per garantire condizioni di test coerenti e risultati sperimentali riproducibili. Viene inoltre descritto l’allestimento sperimentale per le misure TDDB. Il Capitolo 4 riporta i risultati sperimentali sulla dinamica di assorbimento dell’umidità nei dielettrici polimerici e il relativo impatto sulle proprietà elettriche di tali materiali. Successivamente, vengono analizzati gli effetti della temperatura sul comportamento TDDB, evidenziando il meccanismo di attivazione che porta a una degradazione accelerata. La dipendenza della TDDB dai livelli di umidità viene investigata, rivelando correlazioni tra il guasto dielettrico e le variazioni delle proprietà dielettriche indotte dall’umidità. Il Capitolo 5 illustra un modello compatto numerico originale che descrive l’influenza della temperatura sulla TDDB dei dispositivi studiati. Il modello integra meccanismi di degradazione termicamente attivati e teorie di rottura percolativa per spiegare le tendenze sperimentali osservate. Il Capitolo 6 introduce un’evoluzione dell’approccio di modellazione presentato nel Capitolo 5, concentrandosi sul ruolo dell’umidità nella degradazione dielettrica. La diffusione delle molecole d’acqua all’interno della matrice polimerica e la loro interazione con le catene polimeriche sono descritte matematicamente. Il modello cattura l’indebolimento progressivo dell’affidabilità dell’isolamento dovuto all’umidità interna e replica con successo le tendenze sperimentali TDDB in condizioni di umidità variabile. Infine, le conclusioni del lavoro sono riportate nell’ultimo capitolo, riassumendo i principali risultati della ricerca ed evidenziando i contributi sia delle indagini sperimentali sia degli sforzi di modellazione. Vengono discusse le implicazioni dei risultati per la progettazione di dispositivi di isolamento galvanico più affidabili, insieme a suggerimenti per futuri sviluppi volti a perfezionare ulteriormente le valutazioni di affidabilità dielettrica degli isolatori galvanici a base polimerica.