ELS3120-G श्रृंखला गेट ड्राइवर फोटोकपलर डेटाशीट - 6-पिन SDIP - आउटपुट करंट 2.5A - आइसोलेशन वोल्टेज 5000Vrms - तकनीकी दस्तावेज़

1. उत्पाद अवलोकन

ELS3120-G श्रृंखला एक उच्च-प्रदर्शन, 6-पिन सिंगल-ड्यूल इन-लाइन पैकेज (SDIP) फोटोकपलर है, जिसे विशेष रूप से इंसुलेटेड-गेट बायपोलर ट्रांजिस्टर (IGBT) और पावर मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) के गेट को ड्राइव करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह एक मजबूत पावर आउटपुट स्टेज वाले मोनोलिथिक इंटीग्रेटेड सर्किट से ऑप्टिकली कपल्ड एक इन्फ्रारेड लाइट एमिटिंग डायोड (LED) को एकीकृत करता है। एक प्रमुख डिज़ाइन विशेषता एक आंतरिक शील्ड है जो कॉमन-मोड ट्रांजिएंट नॉइज़ के प्रति उच्च प्रतिरक्षा सुनिश्चित करती है, जिससे यह विद्युतीय रूप से शोर वाले पावर कन्वर्ज़न वातावरण में असाधारण रूप से विश्वसनीय बनता है। डिवाइस की विशेषता इसकी रेल-टू-रेल आउटपुट वोल्टेज क्षमता है, जो इसे संचालित पावर स्विच को पूरी तरह से चालू और बंद करने की अनुमति देती है।

1.1 मुख्य लाभ और लक्षित बाजार

ELS3120 का प्राथमिक लाभ इसकी उच्च आउटपुट करंट ड्राइव क्षमता (2.5A पीक) और उत्कृष्ट आइसोलेशन विशेषताओं (5000Vrms) का संयोजन है। यह इसे उन अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श समाधान बनाता है जिनमें कम वोल्टेज नियंत्रण सर्किट और उच्च वोल्टेज पावर स्टेज के बीच सुरक्षित और मजबूत विद्युत आइसोलेशन की आवश्यकता होती है। -40°C से +110°C तक के व्यापक तापमान सीमा में इसकी गारंटीकृत प्रदर्शन मांगलिक परिस्थितियों में विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है। डिवाइस हैलोजन-मुक्त आवश्यकताओं (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm) का अनुपालन करता है, लीड-मुक्त है, और RoHS अनुपालन करता है। इसे UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO, और CQC सहित प्रमुख अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा मानक निकायों से अनुमोदन प्राप्त हुआ है। लक्षित बाजार में औद्योगिक मोटर ड्राइव, अनइंटरप्टिबल पावर सप्लाई (UPS), सोलर इन्वर्टर, और विभिन्न घरेलू उपकरण अनुप्रयोग जैसे कि फैन हीटर शामिल हैं।

2. गहन तकनीकी पैरामीटर विश्लेषण

2.1 पूर्ण अधिकतम रेटिंग्स

डिवाइस को दीर्घायु सुनिश्चित करने और क्षति को रोकने के लिए सख्त सीमाओं के भीतर काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। प्रमुख पूर्ण अधिकतम रेटिंग्स में शामिल हैं: इनपुट LED के लिए 25mA का निरंतर फॉरवर्ड करंट (IF), बहुत कम अवधि (≤1μs) के लिए 1A की पल्स्ड फॉरवर्ड करंट (IFP) क्षमता के साथ। LED के लिए रिवर्स वोल्टेज (VR) 5V तक सीमित है। आउटपुट साइड पर, पीक आउटपुट करंट (IOPH/IOPL) ±2.5A है, और VEE के सापेक्ष पीक आउटपुट वोल्टेज (VO) 30V से अधिक नहीं होना चाहिए। सप्लाई वोल्टेज (VCC - VEE) 15V से 30V तक हो सकता है। डिवाइस एक मिनट के लिए 5000Vrms के आइसोलेशन वोल्टेज (VISO) को सहन कर सकता है। कुल पावर डिसिपेशन (PT) 300mW है। ऑपरेटिंग तापमान सीमा (TOPR) -40°C से +110°C है, और भंडारण तापमान (TSTG) -55°C से +125°C तक है। सोल्डरिंग तापमान (TSOL) 10 सेकंड के लिए 260°C पर रेटेड है।

2.2 इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल विशेषताएं

यह खंड तापमान सीमा में निर्दिष्ट ऑपरेटिंग परिस्थितियों के तहत गारंटीकृत प्रदर्शन पैरामीटर का विवरण देता है। इनपुट के लिए, 10mA के फॉरवर्ड करंट (IF) पर अधिकतम फॉरवर्ड वोल्टेज (VF) 1.8V है। आउटपुट विशेषताओं को सप्लाई करंट और ट्रांसफर विशेषताओं में विभाजित किया गया है। हाई और लो लेवल सप्लाई करंट (ICCH और ICCL) का सामान्य मूल्य लगभग 1.4-1.5mA है और अधिकतम 3.2mA है जब VCC=30V हो। गेट ड्राइविंग के लिए ट्रांसफर विशेषताएं महत्वपूर्ण हैं। हाई-लेवल आउटपुट करंट (IOH) न्यूनतम -1A (सोर्सिंग करंट) के रूप में निर्दिष्ट है जब VCC=30V और आउटपुट VCC से 3V नीचे है, और न्यूनतम -2.5A जब आउटपुट VCC से 6V नीचे है। इसके विपरीत, लो-लेवल आउटपुट करंट (IOL) न्यूनतम 1A (सिंकिंग करंट) है जब आउटपुट VEE से 3V ऊपर है, और न्यूनतम 2.5A जब VEE से 6V ऊपर है। स्विचिंग शुरू करने के लिए इनपुट थ्रेशोल्ड करंट (IFLH) अधिकतम 5mA है। डिवाइस में अंडर-वोल्टेज लॉकआउट (UVLO) सुरक्षा भी शामिल है, जिसमें VUVLO+ (चालू) के लिए थ्रेशोल्ड आम तौर पर लगभग 11-13.5V और VUVLO- (बंद) के लिए 10-12.5V होते हैं, जो सप्लाई वोल्टेज अपर्याप्त होने पर खराबी को रोकते हैं।

2.3 स्विचिंग विशेषताएं

गतिशील प्रदर्शन कुशल पावर स्विचिंग के लिए महत्वपूर्ण है। मानक स्थितियों (IF=7-16mA, VCC=15-30V, Cg=10nF, Rg=10Ω, f=10kHz) के तहत मापे गए प्रमुख पैरामीटर में शामिल हैं: प्रोपेगेशन विलंब समय (tPLH और tPHL) जिसका सामान्य मूल्य 150ns और अधिकतम 300ns है। आउटपुट राइज और फॉल टाइम (tR और tF) आम तौर पर 80ns होते हैं। पल्स चौड़ाई विरूपण, जिसे |tPHL – tPLH| के रूप में परिभाषित किया गया है, अधिकतम 100ns है, जो अच्छी समरूपता को दर्शाता है। प्रोपेगेशन विलंब स्क्यू (tPSK), समान परिस्थितियों में कई इकाइयों के बीच विलंब में भिन्नता, अधिकतम 150ns है। एक उल्लेखनीय विशेषता कॉमन मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी (CMTI) है, जो हाई (CMH) और लो (CML) दोनों आउटपुट स्थितियों के लिए न्यूनतम ±25 kV/μस की गारंटी है। यह उच्च CMTI रेटिंग आइसोलेशन बैरियर के पार तेज वोल्टेज ट्रांजिएंट को अस्वीकार करने के लिए महत्वपूर्ण है जो गलत आउटपुट स्विचिंग का कारण बन सकते हैं।

3. प्रदर्शन वक्र विश्लेषण

डेटाशीट कई विशिष्ट विशेषता वक्र प्रदान करती है जो विभिन्न परिस्थितियों में डिवाइस के व्यवहार में गहरी अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं। चित्र 1 दिखाता है कि कैसे LED फॉरवर्ड वोल्टेज (VF) विभिन्न फॉरवर्ड करंट के लिए बढ़ते परिवेश तापमान (TA) के साथ घटता है, जो इनपुट सर्किट के थर्मल डिज़ाइन के लिए महत्वपूर्ण है। चित्र 2 विभिन्न तापमानों पर आउटपुट हाई वोल्टेज ड्रॉप (VOH - VCC) बनाम आउटपुट हाई करंट (IOH) को प्लॉट करता है, जो हाई-साइड आउटपुट ट्रांजिस्टर के प्रभावी ऑन-प्रतिरोध को दर्शाता है। चित्र 3 दिखाता है कि कैसे यह वोल्टेज ड्रॉप एक निश्चित लोड करंट पर तापमान के साथ बदलता है। इसी तरह, चित्र 4 और चित्र 5 आउटपुट लो वोल्टेज (VOL) बनाम आउटपुट लो करंट (IOL) और तापमान के साथ इसके परिवर्तन को दर्शाते हैं, जो लो-साइड सिंक क्षमता को चित्रित करते हैं। चित्र 6 परिवेश तापमान बनाम सप्लाई करंट (ICCH और ICCL) को ग्राफ करता है, जो स्थिर निष्क्रिय करंट खपत दिखाता है। चित्र 7 (PDF अंश से निहित) संभवतः सप्लाई करंट बनाम सप्लाई वोल्टेज दिखाता है, जो VCC पर डिवाइस की पावर खपत निर्भरता को इंगित करता है।

4. यांत्रिक और पैकेज जानकारी

डिवाइस एक 6-पिन सिंगल/ड्यूल इन-लाइन पैकेज (SDIP) में रखा गया है। पिन कॉन्फ़िगरेशन इस प्रकार है: पिन 1: इनपुट LED का एनोड; पिन 2: कोई कनेक्शन नहीं (NC); पिन 3: इनपुट LED का कैथोड; पिन 4: VEE (नकारात्मक आउटपुट सप्लाई/ग्राउंड); पिन 5: VOUT (गेट ड्राइव आउटपुट); पिन 6: VCC (सकारात्मक आउटपुट सप्लाई)। एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग नोट निर्दिष्ट करता है कि पिन 4 (VEE) और 6 (VCC) के बीच एक 0.1μF बाईपास कैपेसिटर डिवाइस बॉडी के जितना संभव हो उतना करीब जोड़ा जाना चाहिए ताकि स्थिर संचालन सुनिश्चित हो और उच्च-करंट स्विचिंग के दौरान सप्लाई लाइन इंडक्शन कम से कम हो।

5. अनुप्रयोग दिशानिर्देश

5.1 विशिष्ट अनुप्रयोग सर्किट

प्राथमिक अनुप्रयोग ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन (जैसे, हाफ-ब्रिज, फुल-ब्रिज) में IGBT और पावर MOSFET के लिए एक आइसोलेटेड गेट ड्राइवर के रूप में है। फोटोकपलर माइक्रोकंट्रोलर या PWM कंट्रोलर (कम वोल्टेज साइड) और हाई-साइड स्विच (उच्च वोल्टेज साइड) के फ्लोटिंग गेट के बीच आवश्यक आइसोलेशन प्रदान करता है। 2.5A पीक करंट पावर डिवाइस की गेट कैपेसिटेंस को तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज करने की अनुमति देता है, जिससे स्विचिंग नुकसान कम हो जाते हैं।

5.2 डिज़ाइन विचार

विश्वसनीय संचालन के लिए कई कारकों पर विचार किया जाना चाहिए। गेट रेसिस्टर (Rg) मूल्य आवश्यक स्विचिंग गति के आधार पर चुना जाना चाहिए और गेट रिंगिंग या अत्यधिक dV/dt को रोकने के लिए चुना जाना चाहिए। VCC और VEE के बीच अनुशंसित 0.1μF बाईपास कैपेसिटर उच्च पीक करंट के लिए एक स्थानीय कम-प्रतिबाधा स्रोत प्रदान करने के लिए अनिवार्य है। UVLO सुविधा पावर डिवाइस की रक्षा करती है लेकिन सप्लाई अनुक्रम में इसका हिसाब रखा जाना चाहिए। कॉमन-मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी उच्च है, लेकिन PCB लेआउट महत्वपूर्ण बना रहता है: इनपुट और आउटपुट सर्किट के बीच आइसोलेशन गैप बनाए रखा जाना चाहिए, और उच्च dV/dt लूप को छोटा और संवेदनशील इनपुट ट्रेस से दूर रखा जाना चाहिए।

6. तकनीकी तुलना और विभेदन

बेसिक ऑप्टोकपलर या बिना आइसोलेशन वाले कुछ एकीकृत गेट ड्राइवर IC की तुलना में, ELS3120 एक समर्पित, उच्च-करंट आउटपुट स्टेज प्रदान करता है जो एक ऑप्टो-आइसोलेटर के साथ एकीकृत है। इसके प्रमुख विभेदक 2.5A पीक आउटपुट करंट है, जो कई मानक ऑप्टोकपलर-आधारित ड्राइवरों से अधिक है, और 25 kV/μस की गारंटीकृत उच्च CMTI है, जो आधुनिक तेज-स्विचिंग सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) या गैलियम नाइट्राइड (GaN) अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है। व्यापक ऑपरेटिंग तापमान सीमा और अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा अनुमोदन की बहुतायत इसे औद्योगिक और उपकरण बाजारों के लिए उपयुक्त बनाती है जहां विश्वसनीयता और अनुपालन सर्वोपरि है।

7. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

प्रश्न: आंतरिक शील्ड का उद्देश्य क्या है?

उत्तर: आंतरिक शील्ड इनपुट और आउटपुट के बीच कैपेसिटिव कपलिंग को कम करके कॉमन मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी (CMTI) को काफी बढ़ाता है, जिससे आइसोलेशन बैरियर के पार तेज वोल्टेज ट्रांजिएंट से गलत ट्रिगरिंग को रोका जाता है।

प्रश्न: क्या मैं VCC के लिए एकल पावर सप्लाई का उपयोग कर सकता हूं?

उत्तर: आउटपुट स्टेज को 15V और 30V के बीच सप्लाई वोल्टेज (VCC - VEE) की आवश्यकता होती है। एक N-चैनल IGBT/MOSFET को ड्राइव करने के लिए जिसका सोर्स पावर ग्राउंड से जुड़ा है, VEE आम तौर पर उसी ग्राउंड से जुड़ा होता है, और VCC उसके सापेक्ष एक सकारात्मक वोल्टेज होता है, अक्सर +15V या +20V।

प्रश्न: 0.1μF बाईपास कैपेसिटर अनिवार्य क्यों है?

उत्तर: स्विचिंग के क्षण के दौरान, ड्राइवर बहुत तेजी से कई एम्पीयर करंट सोर्स या सिंक करता है। दूरस्थ बल्क कैपेसिटर तक PCB ट्रेस का परजीवी इंडक्शन एक बड़े वोल्टेज स्पाइक का कारण बनेगा, जिससे संभावित रूप से खराबी हो सकती है या डिवाइस की पूर्ण अधिकतम रेटिंग से अधिक हो सकता है। स्थानीय कैपेसिटर तात्कालिक करंट प्रदान करता है।

प्रश्न: यदि सप्लाई वोल्टेज (VCC) UVLO थ्रेशोल्ड से नीचे गिर जाता है तो क्या होता है?

उत्तर: अंडर-वोल्टेज लॉकआउट सर्किट आउटपुट को अक्षम कर देगा, इसे एक ज्ञात स्थिति (आम तौर पर निम्न) में मजबूर करेगा, जो संचालित IGBT/MOSFET को बंद कर देता है। यह पावर डिवाइस को उच्च वोल्टेज और करंट के साथ रैखिक क्षेत्र में काम करने से रोकता है, जिससे अत्यधिक गर्मी और विफलता हो सकती है।

8. व्यावहारिक अनुप्रयोग उदाहरण

एक सामान्य उपयोग मामला 3-फेज मोटर ड्राइव इन्वर्टर में है। छह ELS3120 डिवाइस का उपयोग छह IGBT (तीन हाई-साइड और तीन लो-साइड) को ड्राइव करने के लिए किया जा सकता है। माइक्रोकंट्रोलर छह PWM सिग्नल उत्पन्न करता है, प्रत्येक ELS3120 के इनपुट LED के एनोड (एक करंट-लिमिटिंग रेसिस्टर के माध्यम से) और कैथोड से जुड़ा होता है। प्रत्येक ELS3120 का आउटपुट एक छोटे गेट रेसिस्टर के माध्यम से अपने संबंधित IGBT के गेट से जुड़ा होता है। हाई-साइड ड्राइवरों के VCC पिन आइसोलेटेड फ्लोटिंग पावर सप्लाई (बूटस्ट्रैप सर्किट या आइसोलेटेड DC-DC कन्वर्टर) से जुड़े होते हैं, जबकि उनके VEE पिन फेज आउटपुट (IGBT के एमिटर) से जुड़े होते हैं। यह सेटअप नियंत्रण और सुरक्षा सर्किटरी को उच्च DC बस वोल्टेज से पूर्ण आइसोलेशन प्रदान करता है।

9. संचालन सिद्धांत

डिवाइस ऑप्टिकल आइसोलेशन के सिद्धांत पर काम करता है। इनपुट इन्फ्रारेड LED पर लगाया गया एक विद्युत प्रवाह इसे प्रकाश उत्सर्जित करने का कारण बनता है। इस प्रकाश का पता आउटपुट-साइड IC में एकीकृत फोटोडायोड द्वारा लगाया जाता है। प्राप्त ऑप्टिकल सिग्नल को वापस विद्युत सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है, जिसे फिर आंतरिक सर्किटरी (एम्पलीफायर और टोटेम-पोल आउटपुट स्टेज सहित) द्वारा VOUT पिन को ड्राइव करने के लिए संसाधित किया जाता है। मुख्य लाभ यह है कि सिग्नल और पावर प्रकाश के माध्यम से स्थानांतरित होते हैं, जो एक गैल्वेनिक आइसोलेशन बैरियर बनाता है जो कई किलोवोल्ट का सामना कर सकता है, ग्राउंड लूप को तोड़ता है और संवेदनशील नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को पावर साइड पर उच्च वोल्टेज ट्रांजिएंट से बचाता है।

10. उद्योग रुझान

ELS3120 जैसे गेट ड्राइवर फोटोकपलर की मांग पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में रुझानों द्वारा संचालित है। उच्च पावर घनत्व, दक्षता और स्विचिंग आवृत्तियों के लिए एक निरंतर धक्का है, विशेष रूप से वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर (SiC और GaN) के अपनाने के साथ। इन रुझानों के लिए उच्च पीक करंट, तेज स्विचिंग गति और यहां तक कि उच्च CMTI रेटिंग वाले गेट ड्राइवर की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, ऑटोमोटिव (जैसे, ISO 26262) और औद्योगिक अनुप्रयोगों में बढ़ती कार्यात्मक सुरक्षा आवश्यकताएं एकीकृत नैदानिक सुविधाओं और प्रबलित आइसोलेशन रेटिंग वाले ड्राइवर के विकास की ओर ले जा रही हैं। लघुकरण की ओर बढ़ने से पैकेज प्रौद्योगिकी पर भी दबाव पड़ता है, हालांकि SDIP पैकेज उच्च वोल्टेज आइसोलेशन के लिए आवश्यक क्रीपेज और क्लीयरेंस दूरी के लिए लोकप्रिय बना हुआ है।