دیتاشیت سری EL3120 درایور گیت فوتوکوپلر - بسته‌بندی 8 پین DIP - جریان خروجی 2.5 آمپر - ولتاژ ایزولاسیون 5000 ولت RMS - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

سری EL3120 یک فوتوکوپلر درایور گیت پرسرعت و با عملکرد بالا است که برای راه‌اندازی IGBTها و پاور MOSFETها در کاربردهای الکترونیک قدرت طراحی شده است. این قطعه یک دیود نورافشان مادون قرمز (LED) را با یک آشکارساز نوری پرسرعت و با بهره بالا در یک بسته‌بندی فشرده 8 پین دو ردیفه (DIP) ادغام کرده است. عملکرد اصلی دستگاه، ایجاد ایزولاسیون الکتریکی و انتقال سیگنال بین مدار کنترل کم‌ولتاژ و سویچ قدرت پُرولتاژ است که امکان عملکرد ایمن و قابل اطمینان سیستم‌های تبدیل توان را فراهم می‌کند.

مزیت اصلی این قطعه در ترکیب قابلیت راه‌اندازی خروجی بالا و ایزولاسیون قوی آن نهفته است. با جریان پیک خروجی 2.5 آمپر، می‌تواند مستقیماً گیت بسیاری از IGBTها و MOSFETهای با توان متوسط را بدون نیاز به مرحله بافر اضافی راه‌اندازی کند. شیلد داخلی آن، ایمنی عالی در برابر اغتشاشات حالت مشترک (CMTI) معادل ±25 کیلوولت بر میکروثانیه را فراهم می‌کند که عملکرد پایدار در محیط‌های نویزی قدرت را تضمین می‌نماید. این دستگاه برای تضمین عملکرد در محدوده وسیع دمای کاری از 40- تا 110+ درجه سانتی‌گراد طراحی شده و آن را برای کاربردهای صنعتی و خودرویی مناسب می‌سازد.

بازار هدف شامل طراحان سیستم‌های الکترونیک قدرت مانند درایوهای موتور، منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، اینورترهای خورشیدی و تجهیزات اتوماسیون صنعتی می‌شود. تأییدیه‌های آن از نهادهای اصلی استانداردهای ایمنی بین‌المللی (UL, cUL, VDE و غیره)، استفاده از آن را در محصولات نهایی نیازمند انطباق و گواهی تسهیل می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. برای سمت ورودی (LED)، حداکثر جریان پیوسته مستقیم (I_F) برابر 25 میلی‌آمپر است، با قابلیت جریان پالسی مستقیم (I_FP) معادل 1 آمپر برای پالس‌های بسیار کوتاه (≤1 میکروثانیه، 300 پالس بر ثانیه). حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) برابر 5 ولت است. در سمت خروجی، جریان پیک خروجی برای هر دو حالت بالا (I_OPH) و پایین (I_OPL) برابر 2.5 آمپر است. ولتاژ خروجی (V_O) نباید از 30 ولت نسبت به V_EE تجاوز کند. محدوده ولتاژ تغذیه (V_CC- V_EE) بین 15 تا 30 ولت مشخص شده است. دستگاه می‌تواند ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) معادل 5000 ولت_rms را به مدت یک دقیقه بین سمت ورودی و خروجی تحمل کند. تلفات توان کل (P_T) به 300 میلی‌وات محدود شده است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این بخش عملکرد دستگاه را تحت شرایط کاری نرمال در محدوده دمای مشخص شده (T_A= 40- تا 110 درجه سانتی‌گراد) به تفصیل شرح می‌دهد.

مشخصات ورودی:ولتاژ مستقیم (V_F) LED ورودی حداکثر 1.8 ولت در جریان مستقیم (I_F) 10 میلی‌آمپر است. جریان نشتی معکوس در ولتاژ معکوس 5 ولت اندازه‌گیری می‌شود.

مشخصات خروجی:جریان‌های تغذیه ساکن برای آی‌سی خروجی مشخص شده‌اند. جریان تغذیه سطح بالا (I_CCH) معمولاً 1.4 میلی‌آمپر (حداکثر 3.2 میلی‌آمپر) است زمانی که LED ورودی روشن است (I_F=10 میلی‌آمپر). جریان تغذیه سطح پایین (I_CCL) معمولاً 1.5 میلی‌آمپر (حداکثر 3.2 میلی‌آمپر) است زمانی که LED ورودی خاموش است.

مشخصات انتقال:این‌ها حیاتی‌ترین پارامترها برای کاربرد درایور گیت هستند. جریان خروجی سطح بالا (I_OH) جریانی است که دستگاه می‌تواند هنگام بالا کشیدن ولتاژ گیت به داخل خود بکشد. حداقل آن 2.5- آمپر تعیین شده است زمانی که ولتاژ خروجی (V_O) به اندازه 3 ولت پایین‌تر از V_CC(V_CC-3V) باشد. جریان خروجی سطح پایین (I_OL) جریانی است که می‌تواند هنگام پایین کشیدن گیت تأمین کند، حداقل آن 2.5 آمپر تعیین شده است زمانی که V_O به اندازه 3 ولت بالاتر از V_EE(V_EE+3V) باشد. افت ولتاژهای خروجی متناظر (V_OH و V_OL) نیز تعریف شده‌اند که توانایی دستگاه برای دستیابی به نوسان خروجی ریل به ریل را نشان می‌دهند. جریان آستانه ورودی (I_FLH) حداکثر جریان LED مورد نیاز برای تضمین سوئیچ شدن خروجی به حالت بالا است که حداکثر 5 میلی‌آمپر تعیین شده است. آستانه‌های قفل در صورت افت ولتاژ (UVLO) تضمین می‌کنند که اگر ولتاژ تغذیه خیلی کم باشد، خروجی در حالت ایمن باقی می‌ماند، با آستانه‌های معمولی حدود 11-12.5 ولت.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

عملکرد دینامیکی برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس بالا کلیدی است. زمان‌های تأخیر انتشار (t_PLH و t_PHL) از ورودی به خروجی حداکثر 300 نانوثانیه است، با مقادیر معمولی حدود 150 نانوثانیه. اعوجاج عرض پالس (|t_PHL – t_PLH|) حداکثر 100 نانوثانیه است که نشان‌دهنده تقارن خوب بین تأخیرهای روشن و خاموش شدن است. زمان‌های افزایش (t_R) و کاهش (t_F) خروجی معمولاً 80 نانوثانیه است. ایمنی در برابر اغتشاش حالت مشترک (CMTI) یک پارامتر حیاتی برای دستگاه‌های ایزوله است که حداکثر نرخ تغییر ولتاژ در سراسر مانع ایزولاسیون را که دستگاه می‌تواند بدون سوئیچینگ نادرست خروجی تحمل کند، مشخص می‌نماید. EL3120 یک CMTI معادل 25 کیلوولت بر میکروثانیه را برای هر دو حالت منطقی بالا و پایین تضمین می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه معمولی ارائه می‌دهد که بینش عمیق‌تری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌کند.

ولتاژ مستقیم در مقابل دما (شکل 1):این منحنی نشان می‌دهد که ولتاژ مستقیم (V_F) LED ورودی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد که یک مشخصه معمولی دیودهای نیمه‌هادی است. طراحان هنگام طراحی مدار راه‌اندازی LED باید این را در نظر بگیرند تا جریان کافی در محدوده دمایی تضمین شود.

ولتاژ خروجی در مقابل جریان خروجی (شکل 2 و شکل 4):این نمودارها افت ولتاژ خروجی را در مقابل جریان خروجی برای هر دو عملکرد سمت بالا (جذب جریان) و سمت پایین (تأمین جریان) ترسیم می‌کنند. آن‌ها نشان می‌دهند که افت ولتاژ با جریان خروجی بالاتر و دمای پایین‌تر افزایش می‌یابد. این اطلاعات برای محاسبه تلفات توان در درایور و اطمینان از دریافت نوسان ولتاژ کامل مورد نظر توسط گیت، حیاتی است.

جریان تغذیه در مقابل دما (شکل 6):این منحنی نشان می‌دهد که جریان تغذیه ساکن (هر دو I_CCH و I_CCL) با دما به طور متوسط افزایش می‌یابد که برای محاسبات بودجه توان سیستم مهم است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 پیکربندی و عملکرد پایه‌ها

دستگاه در یک بسته‌بندی استاندارد 8 پین DIP قرار دارد. ترتیب پایه‌ها به شرح زیر است:

• پایه 1: بدون اتصال (NC)
• پایه 2: آند (A) LED ورودی
• پایه 3: کاتد (K) LED ورودی
• پایه 4: بدون اتصال (NC)
• پایه 5: V_EE(منبع تغذیه منفی/زمین برای مرحله خروجی)
• پایه 6: V_OUT(خروجی درایور گیت)
• پایه 7: V_OUT(خروجی درایور گیت، به صورت داخلی به پایه 6 متصل است)
• پایه 8: V_CC(منبع تغذیه مثبت برای مرحله خروجی)

نمودار شماتیک اتصال داخلی را نشان می‌دهد: آشکارساز نوری یک مرحله خروجی پوش-پول را که بین V_CC و V_EE متصل است، راه‌اندازی می‌کند. دیتاشیت به صراحت بیان می‌کند که یک خازن بای‌پس 0.1 میکروفاراد باید بین پایه‌های 8 (V_CC) و 5 (V_EE) وصل شود تا عملکرد پایدار تضمین شده و نویز تغذیه به حداقل برسد.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مقادیر حداکثر مطلق دمای لحیم‌کاری (T_SOL) را 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه مشخص می‌کنند. این یک مقدار معمولی برای فرآیندهای لحیم‌کاری بدون سرب است. طراحان باید دستورالعمل‌های استاندارد IPC را برای لحیم‌کاری قطعات سوراخ‌دار دنبال کنند. دستگاه باید در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک نگهداری شود تا از جذب رطوبت که می‌تواند منجر به پاپ‌کورنینگ در حین ری‌فلو شود (اگرچه عمدتاً نگرانی برای قطعات SMD است)، جلوگیری گردد.

6. توصیه‌های کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

کاربرد اصلی به عنوان درایور گیت ایزوله برای IGBTها و پاور MOSFETها در مدارهایی مانند درایوهای موتور، اینورترها و سیستم‌های UPS است. یک مدار کاربردی متداول شامل اتصال پایه‌های ورودی (2 و 3) به یک میکروکنترلر یا کنترلر PWM از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان است. پایه‌های خروجی (6 و 7) مستقیماً به گیت سویچ قدرت متصل می‌شوند. تقریباً همیشه یک مقاومت گیت خارجی (R_G) به صورت سری با گیت مورد نیاز است تا سرعت سوئیچینگ کنترل شود، رینگینگ کاهش یابد و جریان پیک محدود گردد. مقدار R_G یک مصالحه بین تلفات سوئیچینگ (سریع‌تر بهتر است) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و اورشوت ولتاژ (کندتر بهتر است) است.

6.2 ملاحظات طراحی

• مدار ورودی:جریان راه‌اندازی LED باید به اندازه کافی برای غلبه بر حداکثر جریان آستانه ورودی (5 میلی‌آمپر) با حاشیه ایمنی باشد، معمولاً از 10-16 میلی‌آمپر استفاده می‌شود. یک مقاومت سری به صورت R_IN= (V_CONTROL- V_F) / I_F.
• محاسبه می‌شود.مدار خروجی:_CCمنبع تغذیه برای مرحله خروجی (V_EE تا V
• ) باید در محدوده 15-30 ولت و به خوبی تنظیم شده باشد. خازن بای‌پس 0.1 میکروفاراد اجباری است و باید تا حد امکان نزدیک به پایه‌های دستگاه قرار گیرد.راه‌اندازی گیت:
• جریان پیک خروجی 2.5 آمپر برای سویچ‌هایی با بار گیت متوسط مناسب است. برای IGBTهای بسیار بزرگ، تأیید کنید که درایور می‌تواند بار مورد نیاز را در زمان سوئیچینگ مطلوب تحویل دهد. قابلیت‌های کشیدن به بالا و پایین متقارن هستند که مفید است.ایزولاسیون:
• فاصله‌های خزش و خلأ مناسب را در لایه‌بندی PCB بین سمت ورودی و خروجی مطابق با ولتاژ ایزولاسیون هدف و استانداردهای ایمنی مربوطه حفظ کنید.مدیریت حرارتی:

اگرچه بسته‌بندی می‌تواند 300 میلی‌وات تلف کند، تلفات توان واقعی را بر اساس ولتاژ تغذیه، جریان تغذیه، جریان خروجی، چرخه کاری و فرکانس سوئیچینگ محاسبه کنید تا اطمینان حاصل شود دمای پیوند در محدوده مجاز باقی می‌ماند.

7. مقایسه و تمایز فنی

EL3120 خود را در بازار با مجموعه‌ای خاص از ویژگی‌ها قرار می‌دهد. جریان خروجی 2.5 آمپری آن، آن را در رده متوسط برای فوتوکوپلرهای درایور گیت قرار می‌دهد که برای طیف وسیعی از کاربردها بدون هزینه و پیچیدگی مراحل درایور گسسته با جریان بالاتر مناسب است. CMTI تضمین شده 25 کیلوولت بر میکروثانیه یک رقم قوی است که ایمنی نویز قوی را در محیط‌های چالش‌برانگیزی مانند درایوهای موتور فراهم می‌کند. محدوده وسیع دمای کاری (40- تا 110+ درجه سانتی‌گراد) از بسیاری از قطعات درجه تجاری فراتر رفته و قابلیت اطمینان را برای کاربردهای صنعتی و فضای باز ارائه می‌دهد. قابلیت ولتاژ خروجی ریل به ریل، استفاده کارآمد از ولتاژ تغذیه درایور گیت را تضمین کرده و سیگنال گیت اعمال شده به سویچ را به حداکثر می‌رساند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم از یک منبع تغذیه 15 ولت تکی برای مرحله خروجی استفاده کنم؟

ج: بله، محدوده ولتاژ تغذیه 15 تا 30 ولت است. منبع 15 ولت حداقل است و کاملاً قابل قبول است، اگرچه در مقایسه با استفاده از ولتاژ بالاتر، منجر به ولتاژ درایور گیت پایین‌تری برای سویچ قدرت خواهد شد.

س: هدف از داشتن دو پایه خروجی (6 و 7) چیست؟

ج: این دو پایه به صورت داخلی به هم متصل هستند. این طراحی به کاهش اندوکتانس پارازیتی در اتصال به گیت کمک می‌کند، مسیر جریان قوی‌تری برای جریان‌های پیک بالا فراهم می‌کند و انعطاف‌پذیری در لایه‌بندی را ارائه می‌دهد.

س: چگونه اطمینان حاصل کنم که دستگاه به طور قابل اطمینان روشن می‌شود؟_FLHج: LED ورودی را با جریانی به طور قابل توجهی بالاتر از حداکثر جریان آستانه ورودی مشخص شده (I

= 5 میلی‌آمپر) راه‌اندازی کنید. استفاده از 10-16 میلی‌آمپر، همانطور که در شرایط آزمایش نشان داده شده است، حاشیه ایمنی خوبی در برابر تغییرات دما و دستگاه فراهم می‌کند.

س: آیا مقاومت گیت خارجی ضروری است؟

ج: تقریباً همیشه بله. در حالی که درایور می‌تواند مستقیماً وصل شود، از یک مقاومت گیت (معمولاً بین 1-100 اهم) برای کنترل سرعت سوئیچینگ، میرا کردن نوسانات پارازیتی و محدود کردن جریان پیک مشاهده شده توسط هر دو آی‌سی درایور و گیت سویچ قدرت استفاده می‌شود.

9. مثال کاربردی عملیسناریو: راه‌اندازی یک IGBT 600 ولتی در یک اینورتر سه فاز برای درایو موتور.

میکروکنترلر سیگنال‌های PWM را در سطح منطقی 5 ولت تولید می‌کند. یک مقاومت محدودکننده جریان برای جریان LED حدود 12 میلی‌آمپر محاسبه می‌شود (مثلاً (5V - 1.5V)/12mA ≈ 290Ω). سمت خروجی توسط یک مبدل DC-DC ایزوله 20 ولت تغذیه می‌شود. پایه‌های 6 و 7 از طریق یک مقاومت گیت 10 اهمی به گیت IGBT متصل می‌شوند. یک خازن سرامیکی 0.1 میکروفاراد مستقیماً بین پایه‌های 8 و 5 قرار می‌گیرد. ویژگی UVLO تضمین می‌کند که اگر منبع 20 ولتی در حین راه‌اندازی یا شرایط خطا افت کند، گیت IGBT در سطح پایین نگه داشته می‌شود و از روشن شدن جزئی و تلفات توان بیش از حد جلوگیری می‌نماید. CMTI بالا تضمین می‌کند که نوسانات سریع ولتاژ (dv/dt) روی کلکتور IGBT باعث راه‌اندازی نادرست خروجی درایور از طریق مانع ایزولاسیون نمی‌شود.

10. اصل عملکرد

EL3120 بر اساس اصل کوپلینگ نوری عمل می‌کند. یک سیگنال الکتریکی اعمال شده به سمت ورودی باعث می‌شود LED مادون قرمز نور ساطع کند. این نور از یک مانع ایزولاسیون شفاف نوری (معمولاً از جنس سیلیکون یا مواد مشابه) عبور می‌کند. در سمت خروجی، یک آشکارساز نوری، که یک مدار مجتمع یکپارچه است، این نور را دریافت کرده و آن را دوباره به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این آی‌سی شامل یک المان حساس به نور، مراحل تقویت و یک بافر خروجی قدرتمند است که قادر به تأمین و جذب جریان‌های پیک بالا است. مزیت کلیدی این است که سیگنال و توان از طریق نور منتقل می‌شوند که ایزولاسیون گالوانیکی را فراهم می‌کند که ولتاژهای بالا، حلقه‌های زمین و نویز را مسدود می‌نماید.

11. روندهای صنعت