Hoja de Datos de la Serie ELS3120-G - Fotocoplador para Control de Puertas - 6 Pines SDIP - Corriente de Salida 2.5A - Voltaje de Aislamiento 5000Vrms - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

La serie ELS3120-G es un fotocoplador de alto rendimiento en encapsulado SDIP (Single-Dual In-line Package) de 6 pines, diseñado específicamente para controlar las puertas de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y transistores de efecto campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de potencia. Integra un diodo emisor de luz (LED) infrarrojo acoplado ópticamente a un circuito integrado monolítico que cuenta con una robusta etapa de salida de potencia. Una característica clave de su diseño es un blindaje interno que garantiza una alta inmunidad al ruido transitorio en modo común, haciéndolo excepcionalmente confiable en entornos de conversión de potencia eléctricamente ruidosos. El dispositivo se caracteriza por su capacidad de voltaje de salida rail-to-rail, lo que le permite activar y desactivar completamente el interruptor de potencia controlado.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

La ventaja principal del ELS3120 radica en su combinación de alta capacidad de corriente de salida (2.5A pico) y excelentes características de aislamiento (5000Vrms). Esto lo convierte en una solución ideal para aplicaciones que requieren un aislamiento eléctrico seguro y robusto entre los circuitos de control de bajo voltaje y las etapas de potencia de alto voltaje. Su rendimiento garantizado en un amplio rango de temperatura, desde -40°C hasta +110°C, asegura fiabilidad en condiciones exigentes. El dispositivo cumple con los requisitos libres de halógenos (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm), no contiene plomo y es compatible con RoHS. Ha recibido aprobaciones de los principales organismos internacionales de normas de seguridad, incluyendo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO y CQC. El mercado objetivo incluye variadores de motores industriales, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), inversores solares y diversas aplicaciones en electrodomésticos, como calentadores de ventilador.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar dentro de límites estrictos que aseguran su longevidad y previenen daños. Los límites absolutos máximos clave incluyen: una corriente directa continua (IF) de 25mA para el LED de entrada, con una capacidad de corriente directa pulsada (IFP) de 1A durante duraciones muy cortas (≤1μs). El voltaje inverso (VR) para el LED está limitado a 5V. En el lado de salida, la corriente de salida pico (IOPH/IOPL) es de ±2.5A, y el voltaje de salida pico (VO) respecto a VEE no debe exceder los 30V. El voltaje de alimentación (VCC - VEE) puede variar de 15V a 30V. El dispositivo puede soportar un voltaje de aislamiento (VISO) de 5000Vrms durante un minuto. La disipación de potencia total (PT) es de 300mW. El rango de temperatura de operación (TOPR) es de -40°C a +110°C, y la temperatura de almacenamiento (TSTG) va de -55°C a +125°C. La temperatura de soldadura (TSOL) está clasificada a 260°C durante 10 segundos.

2.2 Características Electro-Ópticas

Esta sección detalla los parámetros de rendimiento garantizados bajo condiciones de operación especificadas a lo largo del rango de temperatura. Para la entrada, el voltaje directo máximo (VF) es de 1.8V a una corriente directa (IF) de 10mA. Las características de salida se dividen en corriente de alimentación y características de transferencia. Las corrientes de alimentación de nivel alto y bajo (ICCH y ICCL) tienen un valor típico de alrededor de 1.4-1.5mA y un máximo de 3.2mA cuando VCC=30V. Las características de transferencia son críticas para el control de puertas. La corriente de salida de nivel alto (IOH) se especifica como un mínimo de -1A (corriente de fuente) cuando VCC=30V y la salida está 3V por debajo de VCC, y un mínimo de -2.5A cuando la salida está 6V por debajo de VCC. Por el contrario, la corriente de salida de nivel bajo (IOL) es un mínimo de 1A (corriente de sumidero) cuando la salida está 3V por encima de VEE, y un mínimo de 2.5A cuando está 6V por encima de VEE. La corriente umbral de entrada (IFLH) para iniciar la conmutación es un máximo de 5mA. El dispositivo también incorpora protección de Bloqueo por Bajo Voltaje (UVLO), con umbrales típicos alrededor de 11-13.5V para VUVLO+ (activación) y 10-12.5V para VUVLO- (desactivación), evitando mal funcionamiento cuando el voltaje de alimentación es insuficiente.

2.3 Características de Conmutación

El rendimiento dinámico es vital para una conmutación de potencia eficiente. Los parámetros clave medidos bajo condiciones estándar (IF=7-16mA, VCC=15-30V, Cg=10nF, Rg=10Ω, f=10kHz) incluyen: tiempos de retardo de propagación (tPLH y tPHL) con un valor típico de 150ns y un máximo de 300ns. Los tiempos de subida y bajada de la salida (tR y tF) son típicamente de 80ns. La distorsión del ancho de pulso, definida como |tPHL – tPLH|, tiene un máximo de 100ns, lo que indica una buena simetría. La desviación del retardo de propagación (tPSK), que es la variación en el retardo entre múltiples unidades en condiciones idénticas, es un máximo de 150ns. Una característica destacada es la Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI), que está garantizada como un mínimo de ±25 kV/μs tanto para los estados de salida alto (CMH) como bajo (CML). Esta alta clasificación de CMTI es crucial para rechazar transitorios de voltaje rápidos a través de la barrera de aislamiento que podrían causar una conmutación errónea en la salida.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características típicas que ofrecen una visión más profunda del comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables. La Figura 1 muestra cómo el voltaje directo del LED (VF) disminuye al aumentar la temperatura ambiente (TA) para diferentes corrientes directas, lo cual es importante para el diseño térmico del circuito de entrada. La Figura 2 grafica la caída de voltaje de salida en nivel alto (VOH - VCC) frente a la corriente de salida en nivel alto (IOH) a diferentes temperaturas, ilustrando la resistencia efectiva en conducción del transistor de salida del lado alto. La Figura 3 muestra cómo esta caída de voltaje cambia con la temperatura a una corriente de carga fija. De manera similar, las Figuras 4 y 5 representan el voltaje de salida en nivel bajo (VOL) frente a la corriente de salida en nivel bajo (IOL) y su variación con la temperatura, caracterizando la capacidad de sumidero del lado bajo. La Figura 6 grafica la corriente de alimentación (ICCH y ICCL) frente a la temperatura ambiente, mostrando un consumo de corriente en reposo estable. La Figura 7 (implícita en el fragmento del PDF) probablemente muestra la corriente de alimentación frente al voltaje de alimentación, indicando la dependencia del consumo de potencia del dispositivo con VCC.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

El dispositivo está alojado en un encapsulado SDIP (Single/Dual In-line Package) de 6 pines. La configuración de pines es la siguiente: Pin 1: Ánodo del LED de entrada; Pin 2: Sin Conexión (NC); Pin 3: Cátodo del LED de entrada; Pin 4: VEE (Alimentación negativa de salida/tierra); Pin 5: VOUT (Salida de control de puerta); Pin 6: VCC (Alimentación positiva de salida). Una nota de aplicación crítica especifica que se debe conectar un condensador de desacoplo de 0.1μF entre los pines 4 (VEE) y 6 (VCC) lo más cerca posible del cuerpo del dispositivo para garantizar una operación estable y minimizar la inductancia de la línea de alimentación durante la conmutación de alta corriente.

5. Guías de Aplicación

5.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La aplicación principal es como controlador de puerta aislado para IGBTs y MOSFETs de potencia en configuraciones de puente (por ejemplo, medio puente, puente completo). El fotocoplador proporciona el aislamiento necesario entre el microcontrolador o controlador PWM (lado de bajo voltaje) y la puerta flotante del interruptor del lado alto (lado de alto voltaje). La corriente pico de 2.5A permite una carga y descarga rápida de la capacitancia de puerta del dispositivo de potencia, minimizando las pérdidas por conmutación.

5.2 Consideraciones de Diseño

Se deben considerar varios factores para una operación confiable. El valor de la resistencia de puerta (Rg) debe elegirse en función de la velocidad de conmutación requerida y para evitar oscilaciones en la puerta o un dV/dt excesivo. El condensador de desacoplo recomendado de 0.1μF entre VCC y VEE es obligatorio para proporcionar una fuente local de baja impedancia para las altas corrientes pico. La función UVLO protege al dispositivo de potencia, pero debe tenerse en cuenta en la secuencia de alimentación. La inmunidad transitoria en modo común es alta, pero el diseño del PCB sigue siendo crítico: se debe mantener la brecha de aislamiento entre los circuitos de entrada y salida, y los bucles de alto dV/dt deben mantenerse pequeños y alejados de las trazas sensibles de entrada.

6. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con fotocopladores básicos o algunos circuitos integrados controladores de puerta sin aislamiento, el ELS3120 ofrece una etapa de salida de alta corriente dedicada integrada con un aislador óptico. Sus diferenciadores clave son la corriente de salida pico de 2.5A, que es mayor que la de muchos controladores estándar basados en fotocopladores, y la alta CMTI garantizada de 25 kV/μs, esencial para aplicaciones modernas de conmutación rápida con carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN). El amplio rango de temperatura de operación y la multitud de aprobaciones internacionales de seguridad lo hacen adecuado para los mercados industrial y de electrodomésticos, donde la fiabilidad y el cumplimiento son primordiales.

7. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es el propósito del blindaje interno?

R: El blindaje interno mejora significativamente la Inmunidad Transitoria en Modo Común (CMTI) al reducir el acoplamiento capacitivo entre la entrada y la salida, evitando el disparo falso por transitorios de voltaje rápidos a través de la barrera de aislamiento.

P: ¿Puedo usar una sola fuente de alimentación para VCC?

R: La etapa de salida requiere un voltaje de alimentación (VCC - VEE) entre 15V y 30V. Para controlar un IGBT/MOSFET de canal N cuyo fuente está conectado a una tierra de potencia, VEE normalmente se conecta a esa misma tierra, y VCC es un voltaje positivo respecto a ella, a menudo +15V o +20V.

P: ¿Por qué es obligatorio el condensador de desacoplo de 0.1μF?

R: Durante el instante de conmutación, el controlador suministra o absorbe varios amperios de corriente muy rápidamente. La inductancia parásita de las trazas del PCB hacia un condensador de gran capacidad distante causaría un gran pico de voltaje, pudiendo provocar mal funcionamiento o exceder los límites absolutos máximos del dispositivo. El condensador local proporciona la corriente instantánea.

P: ¿Qué sucede si el voltaje de alimentación (VCC) cae por debajo del umbral UVLO?

R: El circuito de Bloqueo por Bajo Voltaje deshabilitará la salida, forzándola a un estado conocido (normalmente bajo), lo que apaga el IGBT/MOSFET controlado. Esto evita que el dispositivo de potencia opere en la región lineal con alto voltaje y corriente, lo que causaría un calentamiento excesivo y falla.

8. Ejemplo de Aplicación Práctica

Un caso de uso común es en un inversor de accionamiento de motor trifásico. Se podrían usar seis dispositivos ELS3120 para controlar los seis IGBTs (tres del lado alto y tres del lado bajo). El microcontrolador genera seis señales PWM, cada una conectada al ánodo (a través de una resistencia limitadora de corriente) y al cátodo del LED de entrada de un ELS3120. La salida de cada ELS3120 se conecta a la puerta de su respectivo IGBT a través de una pequeña resistencia de puerta. Los controladores del lado alto tienen sus pines VCC conectados a fuentes de alimentación flotantes aisladas (circuitos bootstrap o convertidores DC-DC aislados), mientras que sus pines VEE se conectan a la salida de fase (el emisor del IGBT). Esta configuración proporciona un aislamiento completo tanto para el circuito de control como para el de protección del alto voltaje del bus de CC.

9. Principio de Funcionamiento

El dispositivo opera bajo el principio de aislamiento óptico. Una corriente eléctrica aplicada al LED infrarrojo de entrada hace que emita luz. Esta luz es detectada por un fotodiodo integrado en el circuito integrado del lado de salida. La señal óptica recibida se convierte nuevamente en una señal eléctrica, que luego es procesada por circuitos internos (incluyendo amplificadores y una etapa de salida totem-pole) para impulsar el pin VOUT. La ventaja clave es que la señal y la potencia se transfieren mediante luz, creando una barrera de aislamiento galvánico que puede soportar varios kilovoltios, rompiendo bucles de tierra y protegiendo la electrónica de control sensible de los transitorios de alto voltaje en el lado de potencia.

10. Tendencias de la Industria

La demanda de fotocopladores controladores de puerta como el ELS3120 está impulsada por las tendencias en la electrónica de potencia. Existe un impulso continuo hacia una mayor densidad de potencia, eficiencia y frecuencias de conmutación, particularmente con la adopción de semiconductores de banda ancha (SiC y GaN). Estas tendencias requieren controladores de puerta con mayor corriente pico, velocidades de conmutación más rápidas y clasificaciones de CMTI aún más altas. Además, los crecientes requisitos de seguridad funcional en aplicaciones automotrices (por ejemplo, ISO 26262) e industriales están llevando al desarrollo de controladores con funciones de diagnóstico integradas y clasificaciones de aislamiento reforzado. La tendencia hacia la miniaturización también presiona la tecnología de encapsulado, aunque el encapsulado SDIP sigue siendo popular por sus distancias de fuga y separación necesarias para el aislamiento de alto voltaje.