汽车级750V、600A双侧面冷却半桥功率模块NVG600A75L4DSB2的技术剖析

在混合动力（HEV）和电动汽车（EV）牵引逆变器应用领域，功率模块的性能至关重要。onsemi推出的NVG600A75L4DSB2功率模块凭借其卓越的特性，成为该领域的有力竞争者。下面我们就来详细剖析一下这款产品。

文件下载：NVG600A75L4DSB2-D.PDF

产品概述

NVG600A75L4DSB2属于具有双侧面冷却和紧凑封装的功率模块家族，专为HEV和EV牵引逆变器应用而设计。该模块采用半桥配置，包含两个窄台面场截止（FS4）IGBT芯片。其芯片组运用了新型窄台面IGBT技术，具备高电流密度和强大的短路保护能力，同时拥有更高的阻断电压，能在EV牵引应用中展现出色的性能。此外，onsemi还提供液体冷却散热器参考设计、损耗模型和CAD模型，以支持客户进行逆变器设计。

产品特性

双侧面冷却

双侧面冷却设计能够有效提高散热效率，确保模块在高功率运行时保持稳定的温度，从而提升整个系统的可靠性。在实际应用中，良好的散热性能可以减少因过热导致的性能下降和元件损坏，延长模块的使用寿命。

集成芯片级温度和电流传感器

模块集成了芯片级温度和电流传感器，连续工作时的最大结温 (T_{vj max}=175^{circ} C)。这使得工程师可以实时监测模块的温度和电流状态，及时采取措施避免过热和过流等问题。例如，当温度接近或超过 (175^{circ} C) 时，可以通过调整逆变器的控制策略来降低功率输出，保护模块安全。

低杂散电感

低杂散电感特性有助于减少开关过程中的电压尖峰和振荡，降低电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性（EMC）。在高频开关应用中，低杂散电感可以显著提高开关效率，减少能量损耗。

低导通和开关损耗

低导通和开关损耗能够降低模块的功耗，提高能源利用率。对于电动汽车这种对续航里程有较高要求的应用来说，降低损耗意味着可以增加车辆的行驶里程，同时减少散热系统的负担。

汽车级标准

该模块符合汽车级标准，经过AEC认证且具备PPAP能力，适用于汽车行业的严格要求。这保证了模块在汽车环境中的可靠性和稳定性，能够承受高温、振动、潮湿等恶劣条件的考验。

4.2 kV隔离DBC基板

采用 (Al{2} O{3}) 隔离基板，具有基本隔离功能，且两面均为铜层。这种设计提供了良好的电气隔离性能，确保模块在高压环境下的安全性。

环保特性

该设备无铅且符合RoHS标准，符合环保要求，减少了对环境的影响。

典型应用

混合动力和电动汽车牵引逆变器

NVG600A75L4DSB2模块非常适合用于HEV和EV的牵引逆变器，为车辆提供高效的动力转换。在电动汽车中，牵引逆变器将电池的直流电转换为交流电，驱动电机运转。该模块的高性能特性可以提高逆变器的效率和功率密度，从而提升车辆的整体性能。

高功率DC - DC升压转换器

在一些需要高功率升压的应用中，如电动汽车的充电系统，该模块可以作为DC - DC升压转换器的核心部件，实现高效的电压转换。

引脚描述

Pin #	Pin	Pin Function Description
1	N	Low Side Emitter
2	P	High Side Collector
3	H/S COLLECTOR SENSE	High Side Collector Sense
4	H/S CURRENT SENSE	High Side Current Sense
5	H/S EMITTER SENSE	High Side Emitter Sense
6	H/S GATE	High Side Gate
7	H/S TEMP SENSE (CATHODE)	High Side Temp sense Diode Cathode
8	H/S TEMP SENSE (ANODE)	High Side Temp sense Diode Anode
9	~	Phase Output
10	L/S CURRENT SENSE	Low Side Current Sense
11	L/S EMITTER SENSE	Low Side Emitter Sense
12	L/S GATE	Low Side Gate
13	L/S TEMP SENSE (CATHODE)	Low Side Temp sense Diode Cathode
14	L/S TEMP SENSE (ANODE)	Low Side Temp sense Diode Anode
15	L/S COLLECTOR SENSE	Low Side Collector Sense

了解这些引脚的功能对于正确使用模块至关重要。在设计电路时，工程师需要根据引脚的功能进行合理的连接和布局，以确保模块的正常工作。

模块特性

温度范围

连续工作结温范围为 -40 至 175°C，存储温度范围为 -40 至 125°C。这表明该模块能够在较宽的温度范围内正常工作，适应不同的环境条件。

隔离电压

隔离电压为 4200V（DC，t = 1 s），提供了良好的电气隔离性能，保障了系统的安全性。

爬电距离和电气间隙

最小爬电距离为 5.0mm，最小电气间隙为 3.2mm（注：通过设计验证而非测试）。这些参数确保了模块在高压环境下的绝缘性能，防止电气击穿和短路等问题。

比较跟踪指数（CTI）

CTI > 600，表明模块具有较高的抗漏电起痕能力，提高了系统的可靠性。

杂散电感和电阻

杂散电感为 8nH，模块引线电阻（端子 - 芯片）为 0.15mΩ。低杂散电感和电阻有助于减少能量损耗和电压尖峰，提高系统的效率和稳定性。

模块重量和螺丝扭矩

模块重量为 75g，模块端子的 M4 螺丝扭矩为 2.2Nm。这些参数在模块的安装和固定过程中需要特别注意，以确保模块的安装牢固和稳定。

绝对最大额定值

IGBT参数

• 集电极 - 发射极电压 (V_{CES}) 为 750V。
• 栅极 - 发射极电压 (V_{GES}) 为 ± 20V。
• 实现的集电极电流 (I_{CN}) 为 600A。
• 连续直流集电极电流 (I{C nom})（(T{vjmax} = 175 ° C)，(T_{F} = 65 ° C)，参考散热器）为 500A。
• 脉冲集电极电流 (I{CRM})（(V{GE} = 15 V)，(t_{p} = 1 ms)）为 1200A。

二极管参数

• 重复峰值反向电压 (V_{RRM}) 为 750V。
• 实现的正向电流 (I_{FN}) 为 600A。
• 连续正向电流 (I{F})（(T{vjmax} = 175 ° C)，(T_{F} = 65 ° C)，参考散热器）为 400A。
• 重复峰值正向电流 (I{FRM})（(t{p} = 1 ms)）为 1200A。
• (I^{2}t) 值（(V{R} = 0 V)，(t{p} = 10 ms)，(T{vJ} = 150 ° C)）为 14000 (A^{2}s)；（(T{VJ} = 175 ° C)）为 12000 (A^{2}s)。

在实际应用中，必须严格遵守这些绝对最大额定值，避免超过这些限制导致设备损坏和可靠性下降。

热特性

IGBT热阻

• 结 - 壳有效热阻 (IGBT.Rth,J - C) 典型值为 0.06°C/W，最大值为 0.08°C/W。
• 结 - 流体有效热阻 (IGBT.Rth,J - F)（(lambda_{TIM}=6 ~W / m - K)，(F = 660 ~N)，10 L/min，65°C，50/50 EGW，参考散热器）典型值为 0.146°C/W。

二极管热阻

• 结 - 壳有效热阻 (Diode.Rth,J - C) 典型值为 0.10°C/W，最大值为 0.13°C/W。
• 结 - 流体有效热阻 (Diode.Rth,J - F)（(lambda_{TIM}=6 ~W / m - K)，(F = 660 ~N)，10 L/min，65°C，50/50 EGW，参考散热器）典型值为 0.196°C/W。

热特性对于模块的性能和可靠性至关重要。在设计散热系统时，需要根据这些热阻参数来选择合适的散热器和冷却方式，确保模块在工作过程中能够及时散热，保持合适的温度。

电气特性

IGBT特性

• 集电极 - 发射极饱和电压 (V{CESAT})：在不同的集电极电流和结温条件下有不同的值。例如，当 (V{GE} = 15 V)，(I{C} = 400 A)，(T{vj} = 25°C) 时，(V{CESAT}) 为 1.35V；当 (T{vj} = 150°C) 时，为 1.23V；当 (T_{vj} = 175°C) 时，为 1.28V。
• 集电极 - 发射极泄漏电流 (I{CES})：在 (V{GE} = 0)，(V{CE} = 750 V)，(T{vj} = 25°C) 时为 1mA；在 (T_{vj} = 175°C) 时为 8mA。
• 栅极 - 发射极泄漏电流 (I{GES})：在 (V{CE} = 0)，(V_{GE} = ±20 V) 时为 ±400 nA。
• 阈值电压 (V{th})：在 (V{CE} = V{GE})，(I{C} = 500 mA) 时，最小值为 4.5V，典型值为 5.6V，最大值为 6.5V。
• 总栅极电荷 (Q{G})：在 (V{GE} = -8) 至 15 V，(V{CE} = 400 V)，(I{C} = 400 A) 时为 1.0 C。
• 内部栅极电阻 (R_{Gint}) 为 2Ω。
• 输入电容 (C{ies})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 时典型值为 36 nF。
• 输出电容 (C{oes})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 时典型值为 0.7 nF。
• 反向传输电容 (C{res})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 时典型值为 0.09 nF。
• 开关时间：包括开通延迟时间 (T{d.on})、上升时间 (T{r})、关断延迟时间 (T{d.off}) 和下降时间 (T{f})，这些时间在不同的结温和负载条件下有所不同。
• 开关损耗：开通开关损耗 (E{ON}) 和关断开关损耗 (E{OFF}) 也会随着结温和负载的变化而变化。例如，在 (I{C} = 400 A)，(V{CE} = 400 V)，(V{GE} = +15/ - 8 V)，(R{g.on} = 3.9)，(L{s} = 25 nH) 的条件下，(T{vj} = 25°C) 时 (E{ON}) 为 10.09mJ，(T{vj} = 150°C) 时为 16.73mJ，(T_{vj} = 175°C) 时为 18.57mJ。
• 最小短路能量耐受 (E{sc})：在 (V{GE} ≤ 15 V)，(V{CE} = 400 V)，(T{vj} = 175°C) 和 (T_{vj} = 25°C) 时均为 3.5J。

反向二极管特性

• 二极管正向电压 (V{F})：在不同的集电极电流和结温条件下有不同的值。例如，当 (V{GE} = 0 V)，(I{C} = 400 A)，(T{vj} = 25°C) 时，(V{F}) 为 1.34V；当 (T{vj} = 150°C) 时，为 1.30V；当 (T_{vj} = 175°C) 时，为 1.29V。
• 反向恢复能量 (E{r})：在 (V{R} = 400 V)，(I{F} = 400 A)，(R{GAN} = 3.9 Ω)，(-di/dt = 3.61 A/ns)（(175°C)），(V{GE} = -8V) 的条件下，(T{vj} = 25°C) 时为 1.05mJ，(T{vj} = 150°C) 时为 4.93mJ，(T{vj} = 175°C) 时为 5.90mJ。
• 恢复电荷 (Q{RR})：在相同条件下，(T{vj} = 25°C) 时为 11.60μC，(T{vj} = 150°C) 时为 25.72μC，(T{vj} = 150°C) 时为 29.28μC。
• 峰值反向恢复电流 (I{rr})：在相同条件下，(T{vj} = 25°C) 时为 241A，(T{vj} = 150°C) 时为 294A，(T{vj} = 175°C) 时为 304A。

传感器特性

• 温度传感器：在 (T{vj} = 25°C) 时，输出电压为 2.5V；在 (T{vj} = 150°C) 时，输出电压为 1.7V（典型值）。
• 电流传感器：在 (I{C} = 1200A) 时，输出电压为 416mV；在 (I{C} = 600A) 时，输出电压为 223mV；在 (I_{C} = 100A) 时，输出电压为 50mV。

这些电气特性为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。通过了解这些特性，工程师可以选择合适的工作条件和参数，优化电路性能，提高系统的效率和可靠性。

典型特性曲线

文档中还提供了一系列典型特性曲线，包括IGBT输出特性、IGBT转移特性、开关损耗与电流和电阻的关系、IGBT开关时间与电流的关系、反向偏置安全工作区、瞬态热阻抗、二极管正向特性、二极管开关损耗与电流和电阻的关系、温度传感器特性、电流传感器特性以及最大允许 (V_{CE}) 等。这些曲线直观地展示了模块在不同条件下的性能变化，有助于工程师更好地理解和应用该模块。

机械尺寸

文档给出了Gen II DSC AHPM15 - CEC CASE MODHV的机械尺寸详细信息，包括各个尺寸的最小值、标称值和最大值。在进行模块的安装和布局时，工程师需要根据这些尺寸信息来确保模块