ورقة بيانات سلسلة ELS3150-G: مقود بوابة ضوئي 6-دبوس SDIP - تيار خرج 1.0A - عزل 5000 فولت RMS - جهد تغذية 30 فولت

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELS3150-G عائلة من مقودات البوابة الضوئية عالية الأداء ذات 6 دبابيس في حزمة SDIP (Single-Dual In-line Package)، المصممة لتشغيل بوابات IGBTs وMOSFETs القوية والموثوقة. يدمج الجهاز ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) مقترنًا ضوئيًا بدائرة متكاملة أحادية تحتوي على مرحلة خرج طاقة. من السمات المعمارية الرئيسية وجود درع داخلي يضمن مستوى عالٍ من الحصانة ضد ضوضاء العبور المشتركة، مما يجعله مناسبًا لبيئات إلكترونيات الطاقة المتطلبة حيث يكون ضوضاء التبديل سائدة.

الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي توفير عزل كهربائي ونقل إشارة بين دائرة تحكم منخفضة الجهد (متحكم دقيق، معالج إشارات رقمية) وبوابة عالية الجهد والتيار لمفتاح طاقة. يحول إشارة الدخل المنطقية إلى إخراج مقود بوابة عالي التيار قادر على شحن وتفريغ سعة البوابة الكبيرة لأجهزة IGBT وMOSFET الحديثة بسرعة، وهو أمر بالغ الأهمية لتقليل خسائر التبديل وضمان التشغيل الآمن.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تقدم سلسلة ELS3150-G عدة مزايا مميزة لتطبيقات تحويل الطاقة وتشغيل المحركات. تضمن قدرة جهد الخرج من السكة إلى السكة (rail-to-rail) أن إشارة مقود البوابة تستخدم التذبذب الكامل للجهد بين سكتي التغذية VCC وVEE، مما يوفر أقصى جهد تشغيل زائد للبوابة للحصول على أقل مقاومة تشغيل Rds(on) في MOSFETs أو تقليل جهد التشبع في IGBTs. يضمن الأداء المضمون عبر نطاق درجة حرارة موسع من -40°C إلى +110°C الموثوقية في البيئات الصناعية والسيارة المعرضة لتغيرات حرارية واسعة.

معيار الحصانة العالية لضوضاء العبور المشتركة (CMTI) البالغ ±15 كيلو فولت/ميكروثانية هو معيار حاسم. في تكوينات الجسور مثل العواكس، يسبب تبديل جهاز واحد حدوث dv/dt عالي عبر حاجز العزل لمقود الجهاز التكميلي. يمنع CMTI العالي هذه الضوضاء من التسبب في تشغيل خاطئ أو ظروف قصر. يوفر جهد العزل البالغ 5000_{فولت RMS}هامش أمان قوي لتطبيقات الجهد المتوسط. يسهل الامتثال لمعايير السلامة الدولية (UL، cUL، VDE، إلخ) واللوائح البيئية (RoHS، خالي من الهالوجين) استخدامه في المنتجات النهائية المسوقة عالميًا، من محركات المحركات الصناعية ومصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS) إلى الأجهزة المنزلية مثل سخانات المروحة.

2. تحليل المعلمات التقنية المتعمق

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• تيار الدخل الأمامي (I_F): 25 مللي أمبير تيار مستمر كحد أقصى. هذا يحد من التيار المستمر عبر LED الدخل.
• تيار النبضة الأمامي (I_FP): 1 أمبير للنبضات ≤1 ميكروثانية بمعدل 300 نبضة في الثانية. هذا يسمح بنبضات عالية التيار قصيرة لتحقيق تشغيل أسرع لـ LED لأقل تأخير انتشار.
• جهد تغذية الخرج (V_CC- V_EE): من 10 فولت إلى 30 فولت. هذا يحدد نطاق جهد تغذية مقود البوابة المسموح به. التشغيل عند الطرف الأعلى (مثل 15V-20V) هو النمطي لـ IGBTs، بينما تكون الفولتية المنخفضة (10V-12V) شائعة لـ MOSFETs.
• جهد الخرج الذروة (V_O): 30 فولت. أقصى جهد مطلق يمكن أن يظهر على دبوس الخرج (الدبوس 5) بالنسبة إلى V_EE(الدبوس 4).
• تيار الخرج الذروة (I_OPH/I_OPL): ±1.0 أمبير. هذا هو تيار المصدر (الجانب العالي) والاستنزاف (الجانب المنخفض) الذروة الذي يمكن أن توفره مرحلة الخرج. هذا التيار حاسم لتحقيق سرعات تبديل سريعة، لأنه يشحن/يفرغ سعة البوابة (Q_g) مباشرة.
• جهد العزل (V_ISO): 5000 فولت_RMSلمدة دقيقة واحدة. هذا تصنيف أمان رئيسي لحاجز العزل الجلفاني بين جانبي الدخل والخرج.
• درجة حرارة التشغيل (T_OPR): من -40°C إلى +110°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي يضمن فيه الجهاز تلبية مواصفاته المنشورة.

2.2 الخصائص الكهروضوئية ونقل الإشارة

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية عبر نطاق درجة الحرارة المحدد.

• الجهد الأمامي (V_F): 1.8 فولت كحد أقصى عند I_F=10 مللي أمبير. يستخدم هذا لتصميم مقاومة تحديد التيار في جانب الدخل.
• تيارات التغذية (I_CCH, I_CCL): عادة 1.4-1.5 مللي أمبير، بحد أقصى 3.2 مللي أمبير. هذا هو التيار الساكن الذي تسحبه الدائرة المتكاملة في جانب الخرج من مصدر V_CC، وهو مهم لحساب تبديد الطاقة.
• قدرة تيار الخرج (I_OH, I_OL): تحدد ورقة البيانات تيارات الخرج الدنيا تحت ظروف انخفاض جهد محددة. على سبيل المثال، تضمن تيار استنزاف أدنى قدره 1.0 أمبير عندما يكون جهد الخرج (V_O) عند V_EE+4 فولت. سيتم تحديد تيار الذروة الفعلي في الدائرة بواسطة معاوقة حلقة مقود البوابة وجهدي V_CC/V_EE supply.
• مستويات جهد الخرج (V_OH, V_OL): يضمن أن يكون جهد الخرج العالي ضمن 4 فولت من V_CCعند استنزاف 1 أمبير، وضمن 0.5 فولت من V_CCعند استنزاف 100 مللي أمبير. وبالمثل، يكون جهد الخرج المنخفض ضمن 4 فولت من V_EEعند توفير 1 أمبير. سبب "انخفاضات الجهد" هذه هو مقاومة التشغيل للترانزستورات الخارجة.
• تيار عتبة الدخل (I_FLH): 5 مللي أمبير كحد أقصى. هذا هو أقصى تيار LED دخل مطلوب لضمان تحول الخرج إلى الحالة العالية (بافتراض أن V_CCأعلى من عتبة UVLO). يضمن تصميم دائرة الدخل لتوفير تيار أعلى بكثير من هذا (مثل 10-16 مللي أمبير) الحصانة ضد الضوضاء ويقلل من تباين تأخير الانتشار.
• قفل الجهد المنخفض (UVLO): يتم تعطيل الخرج إذا انخفض جهد التغذية V_CC-V_EEأقل من عتبة UVLO- (5.5V أدنى، 6.8V نموذجي، 8V أقصى). يتم إعادة تمكينه بمجرد ارتفاع التغذية فوق عتبة UVLO+ (6.5V أدنى، 7.8V نموذجي، 9V أقصى). تمنع هذه الميزة تشغيل جهاز الطاقة في المنطقة الخطية بجهد بوابة غير كافٍ، مما قد يؤدي إلى تسخين مفرط وتعطل.

2.3 خصائص التبديل

هذه المعلمات حاسمة لتحديد سرعة التبديل والتوقيت في التطبيق.

• تأخيرات الانتشار (t_PLH, t_PHL): 60 نانوثانية أدنى، 200 نانوثانية نموذجي، 400 نانوثانية أقصى. هذا هو الوقت من وصول تيار LED الدخل إلى 50% من قيمته النهائية إلى وصول الخرج إلى 50% من تأرجحه النهائي، لكل من التحولات من منخفض إلى عالي ومن عالي إلى منخفض. المطابقة بين t_PLHو t_PHLمهمة لتجنب تشويه عرض النبضة.
• تشويه عرض النبضة (|t_PHL– t_PLH|): 150 نانوثانية كحد أقصى. هذا هو الفرق بين تأخيري الانتشار.
• انحراف تأخير الانتشار (t_PSK): 150 نانوثانية كحد أقصى. هذا هو التباين في تأخير الانتشار بين وحدات مختلفة من نفس الجهاز تحت ظروف متطابقة. إنه حاسم للتطبيقات التي تستخدم عدة مقودات بالتوازي أو في تكوينات متعددة القنوات حيث تكون محاذاة التوقيت مطلوبة.
• أوقات الصعود/الهبوط (t_R, t_F): عادة 80 نانوثانية. هذا هو وقت الانتقال من 10% إلى 90% لشكل موجة جهد الخرج. تقلل أوقات الصعود/الهبوط الأسرع من خسائر التبديل ولكنها قد تزيد من التداخل الكهرومغناطيسي.
• حصانة ضوضاء العبور المشتركة (CMTI): ±15 كيلو فولت/ميكروثانية كحد أدنى. هذا يحدد قدرة الجهاز على رفض تقلبات الجهد السريعة التي تظهر عبر حاجز العزل دون التسبب في خلل في الخرج. تحاكي ظروف الاختبار (V_CM=1500 فولت) الضوضاء الواقعية في دوائر التبديل عالية الجهد.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر منحنيات الخصائص المقدمة رؤى قيمة حول سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة.

3.1 الجهد الأمامي مقابل درجة الحرارة (الشكل 1)

الجهد الأمامي (V_F) لـ LED الدخل له معامل درجة حرارة سالب، حيث ينخفض مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. بالنسبة لتيار دخل ثابت، هذا يعني أن تبديد الطاقة في LED ينخفض قليلاً في درجات الحرارة الأعلى. يجب على المصممين التأكد من حساب مقاومة تحديد التيار باستخدام V_Fعند أقصى درجة حرارة تشغيل متوقعة لضمان توفر تيار تشغيل كافٍ دائمًا.

3.2 جهد الخرج مقابل تيار الخرج (الشكل 2 والشكل 4)

تُظهر هذه المنحنيات انخفاض الجهد عبر ترانزستور الخرج كدالة لتيار الخرج. يزداد الانخفاض مع التيار ودرجة الحرارة. عند خرج 1 أمبير، يمكن أن يكون انخفاض الجانب العالي (V_CC-V_OH) أكثر من 2.5 فولت عند -40°C، ويمكن أن يكون انخفاض الجانب المنخفض (V_OL-V_EE) أكثر من 2.5 فولت عند 110°C. يجب أخذ هذا في الاعتبار عند تحديد جهد البوابة الفعلي المطبق على IGBT/MOSFET. على سبيل المثال، مع V_CCبقيمة 15 فولت و V_EEبقيمة -5 فولت (20 فولت إجماليًا)، قد يؤدي توصيل 1 أمبير في درجة حرارة عالية إلى جهد بوابة عالي يبلغ فقط ~12.5 فولت وجهد بوابة منخفض يبلغ ~-2.5 فولت.

3.3 تيار التغذية مقابل درجة الحرارة (الشكل 6)

يزداد تيار التغذية (I_CC) مع درجة الحرارة. هذا مهم لحساب إجمالي تبديد طاقة الجهاز، خاصة عند استخدام عدة مقودات على لوحة واحدة. تبديد الطاقة P_D= (V_CC- V_EE) * I_CC+ (I_OH*V_{CEsat_H}* Duty) + (I_OL*V_{CEsat_L}* (1-Duty)).

4. معلومات الميكانيكا والحزمة

4.1 تكوين الدبوس والوظيفة

يستخدم الجهاز حزمة SDIP ذات 6 دبابيس. توزيع الدبابيس كما يلي:

• الدبوس 1: الأنودلـ LED الدخل.
• الدبوس 2: لا اتصال (NC). غير متصل داخليًا.
• الدبوس 3: الكاثودلـ LED الدخل.
• الدبوس 4: V_EE. سكة التغذية السالبة لمرحلة الخرج. يمكن أن يكون هذا أرضي (0 فولت) أو جهد سالب لـ IGBTs التي تتطلب انحياز إيقاف سالب.
• الدبوس 5: V_OUT. دبوس خرج مقود البوابة. يتصل هذا مباشرة ببوابة IGBT أو MOSFET، عادة عبر مقاوم بوابة صغير (R_g).
• الدبوس 6: V_CC. سكة التغذية الموجبة لمرحلة الخرج.

4.2 ملاحظة تطبيقية حرجة

A يجب توصيل مكثف تجاوز 0.1 ميكروفاراد بين الدبوسين 4 (V_EE) و 6 (V_CC)، موضوعة بأقرب مسافة مادية ممكنة من دبابيس المقود الضوئي. يوفر هذا المكثف التيار عالي التردد المطلوب من مرحلة الخرج أثناء تحولات التبديل السريعة. قد يؤدي عدم تضمين هذا المكثف أو وضعه بعيدًا جدًا إلى رنين مفرط على الخرج، وزيادة تأخير الانتشار، وخلل محتمل بسبب ارتداد التغذية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

يتمتع الجهاز بتصنيف أقصى درجة حرارة لحام تبلغ 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا متوافق مع ملفات إعادة التدفق القياسية الخالية من الرصاص. يجب مراعاة احتياطات التعامل مع التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) القياسية، حيث يحتوي الجهاز على مكونات أشباه موصلات حساسة. الظروف التخزينية الموصى بها هي ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -55°C إلى +125°C في بيئة منخفضة الرطوبة ومضادة للكهرباء الساكنة.

6. اعتبارات تصميم التطبيق

6.1 دائرة تطبيق نموذجية

تتضمن دائرة مقود بوابة نموذجية مقاومة تحديد تيار دخل (R_in) متصلة على التوالي مع LED بين إشارة تحكم (مثل 3.3V أو 5V من متحكم دقيق) والأرضي. يتم حساب قيمة المقاومة كـ R_in= (V_control- V_F) / I_F. يوصى بقيمة 10-16 مللي أمبير لـ I_F. في جانب الخرج، يتم اشتقاق مصادر V_CCو V_EEمن محول DC-DC معزول. يقود دبوس الخرج البوابة عبر مقاوم صغير (R_g، على سبيل المثال، 2-10 أوم) يتحكم في سرعة التبديل ويخمد الرنين. يمكن إضافة مقاوم سحب لأسفل اختياري (مثل 10 كيلو أوم) من البوابة إلى المصدر/الباعث للحصول على حصانة إضافية ضد الضوضاء عندما يكون المقود معطلاً.

6.2 حسابات التصميم والمفاضلات

• اختيار مقاوم البوابة: مقاومة R_gأصغر تسمح بتبديل أسرع (خسائر تبديل أقل) ولكنها تزيد من تيار الذروة، والتداخل الكهرومغناطيسي، وخطر تذبذب البوابة. تحدد قدرة تيار الذروة البالغة 1 أمبير للمقود حدًا أدنى بناءً على جهد التغذية وعتبة البوابة.
• تبديد الطاقة: يجب حساب إجمالي تبديد الطاقة والتحقق منه مقابل التصنيف الأقصى البالغ 300 مللي واط. يأتي التبديد من LED الدخل (I_F*V_F)، والتيار الساكن للدائرة المتكاملة الخارجة ((V_CC-V_EE)*I_CC)، وخسائر التبديل في مرحلة الخرج. في الترددات العالية للتبديل (حتى 50 كيلو هرتز كحد أقصى)، تصبح خسائر التبديل كبيرة.
• اعتبارات التخطيط: قلل مساحات الحلقات للمسارات عالية التيار: 1) المسار من مكثف التجاوُز (0.1μF) إلى دبابيس V_CC, V_EE, و V_OUT. 2) حلقة مقود البوابة من V_OUTإلى بوابة جهاز الطاقة، عبر R_g، إلى مصدر/باعث جهاز الطاقة، والعودة إلى V_EE. استخدم آثارًا قصيرة وعريضة أو مستوى أرضي.

7. المقارنة التقنية والتحديد

يتم تحديد سلسلة ELS3150-G كمقود بوابة ضوئي قوي وعام الأغراض. مقارنةً بالمقودات الضوئية الأساسية بدون مرحلة خرج مخصصة، فإنها توفر تيار خرج أعلى بكثير (1 أمبير مقابل نطاق المللي أمبير)، مما يتيح تشغيل أجهزة الطاقة المتوسطة مباشرة بدون عازل خارجي. مقارنةً ببعض دوائر المقود المتكاملة الأحدث ذات مستويات تكامل أعلى (مثل كشف إزالة التشبع، إيقاف لطيف)، فإنها توظف وظيفة عزل وقيادة أساسية موثوقة، غالبًا بتكلفة أقل وموثوقية ميدانية مثبتة. عوامل التمييز الرئيسية لها هي الجمع بين قدرة قيادة 1 أمبير، وCMTI عالي، ونطاق درجة حرارة واسع، والامتثال لمعايير السلامة الدولية الرئيسية.

8. الأسئلة المتكررة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: هل يمكنني استخدام مصدر تغذية واحد +15V (V_CC=15V, V_EE=0V) لتشغيل IGBT؟

أ: نعم، هذا تكوين شائع. سيتأرجح الخرج بين حوالي 0 فولت وحوالي 15 فولت. تأكد من عدم تجاوز تصنيف جهد بوابة-باعث IGBT وأن 15 فولت كافية لتشبع IGBT بالكامل (تحقق من مواصفات V_GEلـ IGBT).

س: لماذا يكون تأخير الانتشار المقاس أطول من 200 نانوثانية النموذجية؟

أ: يتم اختبار تأخير الانتشار بحمل محدد (C_g=10nF, R_g=10Ω). إذا كانت سعة بوابتك أكبر أو مقاومة بوابتك أكبر، فسيزداد التأخير. أيضًا، تأكد من أن تيار الدخل I_Fهو 10 مللي أمبير على الأقل وأن مكثف التجاوُز مثبت بشكل صحيح.

س: يبدو انخفاض جهد الخرج مرتفعًا عند تشغيل 1 أمبير. هل هذا طبيعي؟

أ: نعم، راجع الشكلين 2 و 4. انخفاض جهد يبلغ 2-3 فولت عند 1 أمبير هو نموذجي، خاصة في درجات الحرارة القصوى. هذا يقلل من جهد مقود البوابة الفعال، والذي يجب مراعاته في التصميم. إذا كان الانخفاض المنخفض حاسمًا، ففكر في استخدام مقود بمقاومة تشغيل R_ds(on)أقل في مرحلة الخرج أو أجهزة متوازية (مع الانتباه إلى الانحراف).

9. مثال تطبيقي عملي

السيناريو: تشغيل IGBT بقدرة 600V/30A في ذراع عاكس أحادي الطور لتشغيل محرك.

تتصل إشارة التحكم من DSP (3.3V) بدخل المقود الضوئي عبر مقاوم 180Ω (I_F≈ (3.3V-1.5V)/180Ω ≈ 10 مللي أمبير). يستخدم جانب الخرج محول flyback معزول لتوليد مصادر +15V (V_CC) و -5V (V_EE)، مما يوفر تأرجح بوابة 20V. يتم وضع مكثف سيراميك 0.1μF مباشرة عبر الدبوسين 4 و 6. يتصل الخرج (الدبوس 5) ببوابة IGBT عبر مقاوم بوابة 4.7Ω للتحكم في dV/dt وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي. يساعد جهد الإيقاف السالب في منع التشغيل العشوائي بسبب سعة ميلر. يضمن تصنيف CMTI العالي التشغيل الموثوق على الرغم من dv/dt العالي الناتج عند تبديل IGBT التكميلي في الذراع.

10. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ العزل الضوئي. تسبب إشارة كهربائية دخل مطبقة على LED (الدبوسان 1 و 3) في انبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء. يعبر هذا الضوء حاجز عزل شفاف ضوئيًا (عادةً بلاستيك مصبوب) ويضرب مصفوفة ثنائي ضوئي مدمجة في الدائرة المتكاملة في جانب الخرج. تتم معالجة التيار الضوئي الناتج بواسطة الدوائر الداخلية للدائرة المتكاملة للتحكم في مرحلة خرج من نوع totem-pole تتكون من ترانزستور جانبي عالي وجانبي منخفض. يمكن لهذه المرحلة الخارجة توفير واستنزاف التيار لشحن وتفريغ الحمل السعوي المقدم من بوابة جهاز الطاقة بسرعة. يقوم الدرع المعدني الداخلي بين LED ودائرة الكشف المتكاملة بفصلها سعويًا، مما يعزز بشكل كبير الحصانة ضد تقلبات الجهد المشتركة السريعة.

11. اتجاهات الصناعة

يبقى الطلب على مقودات البوابة الضوئية قويًا في قطاعات الأتمتة الصناعية، والطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، مدفوعًا بالحاجة إلى عزل عالي الجهد موثوق. تشمل الاتجاهات الرئيسية المؤثرة على هذه الفئة من المنتجات: 1)تكامل أعلى: دمج ميزات حماية متقدمة مثل كشف إزالة التشبع، ومشبك ميلر النشط، وقنوات ردود الفعل عن الأعطال في الحزمة المعزولة. 2)سرعة أعلى وانحراف تأخير أقل: لدعم أشباه الموصلات ذات النطاق العريض الأسرع في التبديل (SiC، GaN). 3)مقاييس موثوقية محسنة: توقعات بعمر تشغيلي أطول، ودرجات حرارة تقاطع قصوى أعلى، ومتانة محسنة ضد الإشعاع الكوني لتطبيقات السيارات والفضاء. 4)تصغير الحزمة: التوجه نحو حزم سطحية أصغر (مثل SO-8) بنفس أو أفضل تصنيفات عزل لتوفير مساحة اللوحة. يظل الهيكل الأساسي للعزل الضوئي، كما يتضح من ELS3150-G، حلاً موثوقًا ومعتمدًا على نطاق واسع بسبب بساطته، وحصانته ضد الضوضاء، وموثوقيته طويلة الأجل المثبتة.