Fiche technique - Photocoupleur de commande de grille SDIP 6 broches série ELS3150-G - Courant de sortie 1,0A - Isolation 5000Vrms - Alimentation 30V

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELS3150-G représente une famille de photocoupleurs de commande de grille haute performance en boîtier SDIP (Single-Dual In-line Package) 6 broches, conçus pour la commande de grille isolée robuste et fiable des IGBT et des MOSFET de puissance. Le dispositif intègre une diode électroluminescente infrarouge (LED) couplée optiquement à un circuit intégré monolithique contenant un étage de sortie de puissance. Une caractéristique architecturale clé est un blindage interne qui garantit un niveau élevé d'immunité au bruit transitoire en mode commun, le rendant adapté aux environnements exigeants d'électronique de puissance où le bruit de commutation est prévalent.

La fonction principale de ce composant est de fournir une isolation électrique et une transmission de signal entre un circuit de commande basse tension (microcontrôleur, DSP) et la grille haute tension et fort courant d'un interrupteur de puissance. Il traduit un signal d'entrée de niveau logique en une sortie de commande de grille à fort courant capable de charger et décharger rapidement la capacité de grille significative des IGBT et MOSFET modernes, ce qui est essentiel pour minimiser les pertes par commutation et garantir un fonctionnement sûr.

1.1 Avantages principaux et marché cible

La série ELS3150-G offre plusieurs avantages distincts pour les applications de conversion de puissance et d'entraînement de moteurs. Sa capacité de tension de sortie rail-à-rail garantit que le signal de commande de grille utilise toute l'excursion de tension entre les rails d'alimentation VCC et VEE, fournissant une surtension de grille maximale pour la plus faible Rds(on) dans les MOSFET ou une tension de saturation réduite dans les IGBT. Les performances garanties sur une plage de température étendue de -40°C à +110°C assurent la fiabilité dans les environnements industriels et automobiles soumis à de larges variations thermiques.

L'immunité élevée aux transitoires en mode commun (CMTI) de ±15 kV/μs du dispositif est un paramètre critique. Dans les configurations en pont comme les onduleurs, la commutation d'un dispositif induit un dv/dt élevé à travers la barrière d'isolation du driver pour le dispositif complémentaire. Une CMTI élevée empêche ce bruit de provoquer des déclenchements intempestifs ou des conditions de court-circuit. L'isolation de 5000 V_rmsfournit une marge de sécurité robuste pour les applications de moyenne tension. La conformité aux normes de sécurité internationales (UL, cUL, VDE, etc.) et aux réglementations environnementales (RoHS, sans halogène) facilite son utilisation dans les produits finaux commercialisés mondialement, des entraînements de moteurs industriels et des alimentations sans interruption (ASI) aux appareils ménagers comme les radiateurs soufflants.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Elles ne sont pas destinées au fonctionnement normal.

• Courant direct d'entrée (I_F)F) : 25 mA DC maximum. Cela limite le courant continu traversant la LED d'entrée.
• Courant direct d'impulsion (I_FP)FP) : 1 A pour des impulsions ≤1 μs à 300 pps. Cela permet de brèves impulsions à fort courant pour obtenir un allumage plus rapide de la LED et un délai de propagation minimal.
• Tension d'alimentation de sortie (V_CCCC - V_EE)EE) : 10V à 30V. Cela définit la plage de tension d'alimentation de commande de grille autorisée. Un fonctionnement à l'extrémité supérieure (par ex. 15V-20V) est typique pour les IGBT, tandis que des tensions plus basses (10V-12V) sont courantes pour les MOSFET.
• Tension de sortie de crête (V_O)O) : 30V. La tension absolue maximale qui peut apparaître sur la broche de sortie (Broche 5) par rapport à V_EEEE (Broche 4).
• Courant de sortie de crête (I_OPHOH/I_OPL)OL) : ±1,0A. C'est le courant de source (côté haut) et de puits (côté bas) de crête que l'étage de sortie peut délivrer. Ce courant est crucial pour atteindre des vitesses de commutation rapides, car il charge/décharge directement la capacité de grille (Q_gG).
• Tension d'isolement (V_ISO)ISO) : 5000 V_rmspendant 1 minute. Il s'agit d'une caractéristique de sécurité clé pour la barrière d'isolement galvanique entre les côtés entrée et sortie.
• Température de fonctionnement (T_OPR)A) : -40°C à +110°C. La plage de température ambiante sur laquelle le dispositif est garanti de respecter ses spécifications publiées.

2.2 Caractéristiques électro-optiques et de transfert

Ces paramètres définissent les performances du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales sur la plage de température spécifiée.

• Tension directe (V_F)F) : Maximum 1,8V à I_FF=10mA. Elle est utilisée pour concevoir la résistance limitant le courant côté entrée.
• Courants d'alimentation (I_CCHCCH, I_CCL)CCL) : Typiquement 1,4-1,5 mA, avec un maximum de 3,2 mA. C'est le courant de repos consommé par le CI côté sortie depuis l'alimentation V_CCCC, important pour calculer la dissipation de puissance.
• Capacité en courant de sortie (I_OHOH, I_OL)OL) : La fiche technique spécifie des courants de sortie minimums dans des conditions de chute de tension spécifiques. Par exemple, elle garantit un courant de puits minimum de 1,0A lorsque la tension de sortie (V_OO) est à V_EEEE+4V. Le courant de crête réel dans un circuit sera déterminé par l'impédance de la boucle de commande de grille et les tensions V_CCCC/V_EE supply.
• EE._OHNiveaux de tension de sortie (V_OL)OH, V_CCOL) : La tension de sortie à l'état haut est garantie être à moins de 4V de V_CCCC lors d'un puits de 1A, et à moins de 0,5V de V_EECC lors d'un puits de 100mA. De même, la sortie à l'état bas est à moins de 4V de V
• EE lors d'une source de 1A. Ces "chutes de tension" sont dues à la résistance à l'état passant des transistors de sortie._FLH)Courant de seuil d'entrée (I_CCFHL) : Maximum 5 mA. C'est le courant d'entrée LED maximum requis pour garantir que la sortie commute à l'état haut (en supposant que V
• CC est au-dessus du seuil UVLO). Concevoir le circuit d'entrée pour fournir un courant nettement supérieur à celui-ci (par ex. 10-16 mA) assure une immunité au bruit et minimise la variation du délai de propagation.Verrouillage de sous-tension (UVLO)_CC : La sortie est désactivée si la tension d'alimentation V_EECC-V

EE descend en dessous du seuil UVLO- (5,5V min, 6,8V typ, 8V max). Elle est réactivée une fois que l'alimentation dépasse le seuil UVLO+ (6,5V min, 7,8V typ, 9V max). Cette fonctionnalité empêche le dispositif de puissance d'être commandé dans une région linéaire avec une tension de grille insuffisante, ce qui pourrait entraîner un échauffement excessif et une défaillance.

2.3 Caractéristiques de commutation

• Ces paramètres sont critiques pour déterminer la vitesse de commutation et la synchronisation dans l'application._PLHDélais de propagation (t_PHL)PHL, t_PLHPLH) : 60 ns min, 200 ns typ, 400 ns max. C'est le temps entre le moment où le courant d'entrée LED atteint 50% de sa valeur finale et le moment où la sortie atteint 50% de son excursion finale, pour les transitions bas-haut et haut-bas. L'égalité entre t_PHLPHL et t
• PLH est importante pour éviter la distorsion de largeur d'impulsion._PHLDistorsion de largeur d'impulsion (|t_PLHPHL – tPLH|)
• : Maximum 150 ns. C'est la différence entre les deux délais de propagation._PSK)Dispersion du délai de propagation (t
• PSK) : Maximum 150 ns. C'est la variation du délai de propagation entre différentes unités du même dispositif dans des conditions identiques. Elle est cruciale pour les applications utilisant plusieurs drivers en parallèle ou dans des configurations multi-canaux où un alignement temporel est nécessaire._RTemps de montée/descente (t_F)R, t
• F) : Typiquement 80 ns. C'est le temps de transition 10%-90% de la forme d'onde de tension de sortie. Des temps de montée/descente plus rapides réduisent les pertes par commutation mais peuvent augmenter les CEM.Immunité aux transitoires en mode commun (CMTI)_CM : Minimum ±15 kV/μs. Cela quantifie la capacité du dispositif à rejeter les transitoires de tension rapides apparaissant à travers la barrière d'isolement sans provoquer de perturbation de sortie. Les conditions de test (V

CM=1500V) simulent le bruit réel dans les circuits de commutation haute tension.

3. Analyse des courbes de performance

Les courbes caractéristiques fournies offrent des informations précieuses sur le comportement du dispositif dans diverses conditions.

3.1 Tension directe vs. Température (Fig.1)_FLa tension directe (V_FF) de la LED d'entrée a un coefficient de température négatif, diminuant lorsque la température ambiante augmente. Pour un courant d'entrée fixe, cela signifie que la dissipation de puissance dans la LED diminue légèrement aux températures plus élevées. Les concepteurs doivent s'assurer que la résistance limitant le courant est calculée en utilisant la V

F à la température de fonctionnement maximale attendue pour garantir qu'un courant de commande suffisant est toujours disponible.

3.2 Tension de sortie vs. Courant de sortie (Fig.2 & Fig.4)_CCCes courbes montrent la chute de tension aux bornes du transistor de sortie en fonction du courant de sortie. La chute augmente avec le courant et la température. À 1A de sortie, la chute côté haut (V_OHCC-V_OLOH) peut dépasser 2,5V à -40°C, et la chute côté bas (V_EEOL-V_CCEE) peut dépasser 2,5V à 110°C. Cela doit être pris en compte lors de la détermination de la tension de grille réelle appliquée à l'IGBT/MOSFET. Par exemple, avec un V_EECC de 15V et un V

EE de -5V (20V au total), délivrer 1A à haute température pourrait donner une tension de grille haute d'environ ~12,5V et une tension de grille basse d'environ ~-2,5V.

3.3 Courant d'alimentation vs. Température (Fig.6)_CCLe courant d'alimentation (I_DCC) augmente avec la température. Ceci est important pour calculer la dissipation de puissance totale du dispositif, surtout lorsque plusieurs drivers sont utilisés sur une même carte. La dissipation de puissance P_CCD = (V_EECC - V_CCEE) * I_OHCC + (I_OH*VCEsat_H_OL* Rapport cyclique) + (I_OL*VCEsat_L

* (1-Rapport cyclique)).

4. Informations mécaniques et de boîtier

4.1 Configuration et fonction des broches

• Le dispositif utilise un boîtier SDIP 6 broches. Le brochage est le suivant :Broche 1 : Anode
• de la LED d'entrée.Broche 2 : Non connectée (NC)
• . Non connectée en interne.Broche 3 : Cathode
• de la LED d'entrée._EEBroche 4 : V
• EE. Le rail d'alimentation négatif pour l'étage de sortie. Il peut être la masse (0V) ou une tension négative pour les IGBT nécessitant une polarisation négative à la coupure._OUTBroche 5 : V_gO. La broche de sortie de commande de grille. Elle se connecte directement à la grille de l'IGBT ou du MOSFET, généralement via une petite résistance de grille (R
• G)._CCBroche 6 : V

CC. Le rail d'alimentation positif pour l'étage de sortie.

A 4.2 Note d'application critique_EEUn condensateur de découplage de 0,1 μF doit être connecté entre les broches 4 (V_CC)EE) et 6 (V

CC), placé aussi près que physiquement possible des broches du photocoupleur. Ce condensateur fournit le courant haute fréquence requis par l'étage de sortie pendant les transitions de commutation rapides. L'absence de ce condensateur ou son placement trop éloigné peut entraîner des oscillations excessives sur la sortie, un délai de propagation accru et un dysfonctionnement potentiel dû aux rebonds d'alimentation.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

Le dispositif a une température de soudage maximale de 260°C pendant 10 secondes. Ceci est compatible avec les profils de soudage par refusion standard sans plomb (Pb-free). Les précautions standard de manipulation contre les décharges électrostatiques (ESD) doivent être observées, car le dispositif contient des composants semi-conducteurs sensibles. Les conditions de stockage recommandées sont dans la plage de température de stockage spécifiée de -55°C à +125°C dans un environnement à faible humidité et antistatique.

6. Considérations de conception d'application

6.1 Circuit d'application typique_{Un circuit typique de commande de grille implique une résistance limitant le courant d'entrée (R}IN_{) connectée en série avec la LED entre un signal de commande (par ex. 3,3V ou 5V d'un microcontrôleur) et la masse. La valeur de la résistance est calculée comme R}IN _{= (V}CONTROLE_F - V_FF) / I_FF. Une valeur de 10-16 mA pour I_CCF est recommandée. Côté sortie, les alimentations V_EECC et V_gEE sont dérivées d'un convertisseur DC-DC isolé. La broche de sortie commande la grille via une petite résistance (R

G, par ex. 2-10 Ω) qui contrôle la vitesse de commutation et amortit les oscillations. Une résistance de tirage au bas optionnelle (par ex. 10kΩ) de la grille à la source/émetteur peut être ajoutée pour une immunité au bruit supplémentaire lorsque le driver est désactivé.

• 6.2 Calculs de conception et compromisSélection de la résistance de grille_g : Un R
• G plus petit permet une commutation plus rapide (pertes de commutation plus faibles) mais augmente le courant de crête, les CEM et le risque d'oscillation de grille. La capacité de courant de crête de 1A du driver fixe une limite inférieure basée sur la tension d'alimentation et le seuil de grille.Dissipation de puissance_F : La dissipation de puissance totale doit être calculée et vérifiée par rapport à la caractéristique maximale de 300 mW. La dissipation provient de la LED d'entrée (I_FF*V_CCF), du courant de repos du CI de sortie ((V_EECC-V_CCEE)*I
• CC), et des pertes par commutation dans l'étage de sortie. À des fréquences de commutation élevées (jusqu'à 50 kHz max), les pertes par commutation deviennent significatives.Considérations de placement_CC : Minimisez les surfaces de boucle pour les chemins à fort courant : 1) Le chemin du condensateur de découplage (0,1μF) aux broches V_EECC, V_OUTEE et V_OUTO. 2) La boucle de commande de grille de V_gCC à la grille du dispositif de puissance, à travers R_EEG, à la source/émetteur du dispositif de puissance, et retour à V

EE. Utilisez des pistes courtes et larges ou un plan de masse.

7. Comparaison et positionnement technique

La série ELS3150-G est positionnée comme un photocoupleur de commande de grille robuste et polyvalent. Comparé aux optocoupleurs basiques sans étage de sortie dédié, il offre un courant de sortie nettement plus élevé (1A contre une plage de mA), permettant la commande directe de dispositifs de moyenne puissance sans tampon externe. Comparé à certains nouveaux CI de driver intégrés avec des niveaux d'intégration plus élevés (par ex. détection de désaturation, coupure douce), il fournit une fonction d'isolement et de commande fondamentale et fiable, souvent à un coût inférieur et avec une fiabilité de terrain éprouvée. Ses principaux points de différenciation sont la combinaison d'une commande de 1A, d'une CMTI élevée, d'une large plage de température et de la conformité aux principales normes de sécurité internationales.

8. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)_CCQ : Puis-je utiliser une seule alimentation +15V (V_EECC=15V, V

EE=0V) pour commander un IGBT ?_GER : Oui, c'est une configuration courante. La sortie oscillera entre environ 0V et environ 15V. Assurez-vous que la tension grille-émetteur de l'IGBT n'est pas dépassée et que les 15V sont suffisants pour saturer complètement l'IGBT (vérifiez la spécification V

GE(sat) de l'IGBT).

Q : Pourquoi mon délai de propagation mesuré est-il plus long que la valeur typique de 200 ns ?_gR : Le délai de propagation est testé avec une charge spécifique (C_gL=10nF, R_FL=10Ω). Si votre capacité de grille est plus grande ou votre résistance de grille est plus grande, le délai augmentera. Assurez-vous également que le courant d'entrée I

F est d'au moins 10 mA et que le condensateur de découplage est correctement installé.

Q : La chute de tension de sortie semble élevée lors de la commande à 1A. Est-ce normal ?_{R : Oui, reportez-vous aux Figures 2 et 4. Une chute de tension de 2-3V à 1A est typique, surtout aux extrêmes de température. Cela réduit la tension de commande de grille effective, ce qui doit être pris en compte dans la conception. Si une chute plus faible est critique, envisagez d'utiliser un driver avec un étage de sortie à R}ds(on)

plus faible ou de mettre des dispositifs en parallèle (en prêtant attention à la dispersion).

9. Exemple d'application pratique

Scénario : Commande d'un IGBT 600V/30A dans un bras d'onduleur monophasé pour un entraînement de moteur._FLe signal de commande du DSP (3,3V) est connecté à l'entrée du photocoupleur via une résistance de 180Ω (I_CCF ≈ (3,3V-1,5V)/180Ω ≈ 10 mA). Le côté sortie utilise un convertisseur flyback isolé pour générer des alimentations +15V (V_EECC) et -5V (V

EE), fournissant une excursion de grille de 20V. Un condensateur céramique de 0,1μF est placé directement entre les broches 4 et 6. La sortie (Broche 5) se connecte à la grille de l'IGBT via une résistance de grille de 4,7Ω pour contrôler le dV/dt et réduire les CEM. La tension de coupure négative aide à prévenir les déclenchements intempestifs dus à la capacité de Miller. La CMTI élevée garantit un fonctionnement fiable malgré le dv/dt élevé généré lorsque l'IGBT complémentaire dans le bras commute.

10. Principe de fonctionnement

Le dispositif fonctionne sur le principe de l'isolement optique. Un signal électrique d'entrée appliqué à la LED (Broches 1 & 3) la fait émettre de la lumière infrarouge. Cette lumière traverse une barrière d'isolement optiquement transparente (typiquement une résine moulée) et frappe un réseau de photodiodes intégré au CI côté sortie. Le photocourant généré est traité par le circuit interne du CI pour commander un étage de sortie totem-pole constitué d'un transistor côté haut et d'un transistor côté bas. Cet étage de sortie peut fournir et absorber du courant pour charger et décharger rapidement la charge capacitive présentée par la grille du dispositif de puissance. Le blindage métallique interne entre la LED et le CI détecteur les découple capacitivement, améliorant grandement l'immunité aux transitoires de tension en mode commun rapides.

11. Tendances de l'industrieLa demande pour les photocoupleurs de commande de grille reste forte dans les secteurs de l'automatisation industrielle, des énergies renouvelables et des véhicules électriques, stimulée par le besoin d'isolement haute tension fiable. Les tendances clés influençant cette catégorie de produits incluent : 1)Intégration plus élevée : Incorporation de fonctionnalités de protection avancées comme la détection de désaturation, la pince de Miller active et des canaux de retour de défaut dans le boîtier isolé. 2)Vitesse plus élevée et dispersion de délai plus faible : Pour supporter les semi-conducteurs à large bande interdite à commutation plus rapide (SiC, GaN). 3)Métriques de fiabilité améliorées : Prédictions de durée de vie opérationnelle plus longues, températures de jonction maximales plus élevées et robustesse améliorée contre les rayonnements cosmiques pour les applications automobiles et aérospatiales. 4)Miniaturisation des boîtiers