汽車級750V、600A雙側(cè)面冷卻半橋功率模塊NVG600A75L4DSB2的技術(shù)剖析

在混合動力（HEV）和電動汽車（EV）牽引逆變器應(yīng)用領(lǐng)域，功率模塊的性能至關(guān)重要。onsemi推出的NVG600A75L4DSB2功率模塊憑借其卓越的特性，成為該領(lǐng)域的有力競爭者。下面我們就來詳細(xì)剖析一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

NVG600A75L4DSB2屬于具有雙側(cè)面冷卻和緊湊封裝的功率模塊家族，專為HEV和EV牽引逆變器應(yīng)用而設(shè)計。該模塊采用半橋配置，包含兩個窄臺面場截止（FS4）IGBT芯片。其芯片組運用了新型窄臺面IGBT技術(shù)，具備高電流密度和強(qiáng)大的短路保護(hù)能力，同時擁有更高的阻斷電壓，能在EV牽引應(yīng)用中展現(xiàn)出色的性能。此外，onsemi還提供液體冷卻散熱器參考設(shè)計、損耗模型和CAD模型，以支持客戶進(jìn)行逆變器設(shè)計。

產(chǎn)品特性

雙側(cè)面冷卻

雙側(cè)面冷卻設(shè)計能夠有效提高散熱效率，確保模塊在高功率運行時保持穩(wěn)定的溫度，從而提升整個系統(tǒng)的可靠性。在實際應(yīng)用中，良好的散熱性能可以減少因過熱導(dǎo)致的性能下降和元件損壞，延長模塊的使用壽命。

集成芯片級溫度和電流傳感器

模塊集成了芯片級溫度和電流傳感器，連續(xù)工作時的最大結(jié)溫 (T_{vj max}=175^{circ} C)。這使得工程師可以實時監(jiān)測模塊的溫度和電流狀態(tài)，及時采取措施避免過熱和過流等問題。例如，當(dāng)溫度接近或超過 (175^{circ} C) 時，可以通過調(diào)整逆變器的控制策略來降低功率輸出，保護(hù)模塊安全。

低雜散電感

低雜散電感特性有助于減少開關(guān)過程中的電壓尖峰和振蕩，降低電磁干擾（EMI），提高系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）。在高頻開關(guān)應(yīng)用中，低雜散電感可以顯著提高開關(guān)效率，減少能量損耗。

低導(dǎo)通和開關(guān)損耗

低導(dǎo)通和開關(guān)損耗能夠降低模塊的功耗，提高能源利用率。對于電動汽車這種對續(xù)航里程有較高要求的應(yīng)用來說，降低損耗意味著可以增加車輛的行駛里程，同時減少散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

汽車級標(biāo)準(zhǔn)

該模塊符合汽車級標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過AEC認(rèn)證且具備PPAP能力，適用于汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求。這保證了模塊在汽車環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，能夠承受高溫、振動、潮濕等惡劣條件的考驗。

4.2 kV隔離DBC基板

采用 (Al{2} O{3}) 隔離基板，具有基本隔離功能，且兩面均為銅層。這種設(shè)計提供了良好的電氣隔離性能，確保模塊在高壓環(huán)境下的安全性。

環(huán)保特性

該設(shè)備無鉛且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，符合環(huán)保要求，減少了對環(huán)境的影響。

典型應(yīng)用

混合動力和電動汽車牽引逆變器

NVG600A75L4DSB2模塊非常適合用于HEV和EV的牽引逆變器，為車輛提供高效的動力轉(zhuǎn)換。在電動汽車中，牽引逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。該模塊的高性能特性可以提高逆變器的效率和功率密度，從而提升車輛的整體性能。

高功率DC - DC升壓轉(zhuǎn)換器

在一些需要高功率升壓的應(yīng)用中，如電動汽車的充電系統(tǒng)，該模塊可以作為DC - DC升壓轉(zhuǎn)換器的核心部件，實現(xiàn)高效的電壓轉(zhuǎn)換。

引腳描述

了解這些引腳的功能對于正確使用模塊至關(guān)重要。在設(shè)計電路時，工程師需要根據(jù)引腳的功能進(jìn)行合理的連接和布局，以確保模塊的正常工作。

模塊特性

溫度范圍

連續(xù)工作結(jié)溫范圍為 -40 至 175°C，存儲溫度范圍為 -40 至 125°C。這表明該模塊能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)不同的環(huán)境條件。

隔離電壓

隔離電壓為 4200V（DC，t = 1 s），提供了良好的電氣隔離性能，保障了系統(tǒng)的安全性。

爬電距離和電氣間隙

最小爬電距離為 5.0mm，最小電氣間隙為 3.2mm（注：通過設(shè)計驗證而非測試）。這些參數(shù)確保了模塊在高壓環(huán)境下的絕緣性能，防止電氣擊穿和短路等問題。

比較跟蹤指數(shù)（CTI）

CTI > 600，表明模塊具有較高的抗漏電起痕能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

雜散電感和電阻

雜散電感為 8nH，模塊引線電阻（端子 - 芯片）為 0.15mΩ。低雜散電感和電阻有助于減少能量損耗和電壓尖峰，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

模塊重量和螺絲扭矩

模塊重量為 75g，模塊端子的 M4 螺絲扭矩為 2.2Nm。這些參數(shù)在模塊的安裝和固定過程中需要特別注意，以確保模塊的安裝牢固和穩(wěn)定。

絕對最大額定值

IGBT參數(shù)

• 集電極 - 發(fā)射極電壓 (V_{CES}) 為 750V。
• 柵極 - 發(fā)射極電壓 (V_{GES}) 為 ± 20V。
• 實現(xiàn)的集電極電流 (I_{CN}) 為 600A。
• 連續(xù)直流集電極電流 (I{C nom})（(T{vjmax} = 175 ° C)，(T_{F} = 65 ° C)，參考散熱器）為 500A。
• 脈沖集電極電流 (I{CRM})（(V{GE} = 15 V)，(t_{p} = 1 ms)）為 1200A。

二極管參數(shù)

• 重復(fù)峰值反向電壓 (V_{RRM}) 為 750V。
• 實現(xiàn)的正向電流 (I_{FN}) 為 600A。
• 連續(xù)正向電流 (I{F})（(T{vjmax} = 175 ° C)，(T_{F} = 65 ° C)，參考散熱器）為 400A。
• 重復(fù)峰值正向電流 (I{FRM})（(t{p} = 1 ms)）為 1200A。
• (I^{2}t) 值（(V{R} = 0 V)，(t{p} = 10 ms)，(T{vJ} = 150 ° C)）為 14000 (A^{2}s)；（(T{VJ} = 175 ° C)）為 12000 (A^{2}s)。

在實際應(yīng)用中，必須嚴(yán)格遵守這些絕對最大額定值，避免超過這些限制導(dǎo)致設(shè)備損壞和可靠性下降。

熱特性

IGBT熱阻

• 結(jié) - 殼有效熱阻 (IGBT.Rth,J - C) 典型值為 0.06°C/W，最大值為 0.08°C/W。
• 結(jié) - 流體有效熱阻 (IGBT.Rth,J - F)（(lambda_{TIM}=6 ~W / m - K)，(F = 660 ~N)，10 L/min，65°C，50/50 EGW，參考散熱器）典型值為 0.146°C/W。

二極管熱阻

• 結(jié) - 殼有效熱阻 (Diode.Rth,J - C) 典型值為 0.10°C/W，最大值為 0.13°C/W。
• 結(jié) - 流體有效熱阻 (Diode.Rth,J - F)（(lambda_{TIM}=6 ~W / m - K)，(F = 660 ~N)，10 L/min，65°C，50/50 EGW，參考散熱器）典型值為 0.196°C/W。

熱特性對于模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。在設(shè)計散熱系統(tǒng)時，需要根據(jù)這些熱阻參數(shù)來選擇合適的散熱器和冷卻方式，確保模塊在工作過程中能夠及時散熱，保持合適的溫度。

電氣特性

IGBT特性

• 集電極 - 發(fā)射極飽和電壓 (V{CESAT})：在不同的集電極電流和結(jié)溫條件下有不同的值。例如，當(dāng) (V{GE} = 15 V)，(I{C} = 400 A)，(T{vj} = 25°C) 時，(V{CESAT}) 為 1.35V；當(dāng) (T{vj} = 150°C) 時，為 1.23V；當(dāng) (T_{vj} = 175°C) 時，為 1.28V。
• 集電極 - 發(fā)射極泄漏電流 (I{CES})：在 (V{GE} = 0)，(V{CE} = 750 V)，(T{vj} = 25°C) 時為 1mA；在 (T_{vj} = 175°C) 時為 8mA。
• 柵極 - 發(fā)射極泄漏電流 (I{GES})：在 (V{CE} = 0)，(V_{GE} = ±20 V) 時為 ±400 nA。
• 閾值電壓 (V{th})：在 (V{CE} = V{GE})，(I{C} = 500 mA) 時，最小值為 4.5V，典型值為 5.6V，最大值為 6.5V。
• 總柵極電荷 (Q{G})：在 (V{GE} = -8) 至 15 V，(V{CE} = 400 V)，(I{C} = 400 A) 時為 1.0 C。
• 內(nèi)部柵極電阻 (R_{Gint}) 為 2Ω。
• 輸入電容 (C{ies})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 時典型值為 36 nF。
• 輸出電容 (C{oes})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 時典型值為 0.7 nF。
• 反向傳輸電容 (C{res})：在 (V{CE} = 30 V)，(V_{GE} = 0 V)，(f = 1 MHz) 時典型值為 0.09 nF。
• 開關(guān)時間：包括開通延遲時間 (T{d.on})、上升時間 (T{r})、關(guān)斷延遲時間 (T{d.off}) 和下降時間 (T{f})，這些時間在不同的結(jié)溫和負(fù)載條件下有所不同。
• 開關(guān)損耗：開通開關(guān)損耗 (E{ON}) 和關(guān)斷開關(guān)損耗 (E{OFF}) 也會隨著結(jié)溫和負(fù)載的變化而變化。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) 的條件下，(T{vj} = 25°C) 時 (E{ON}) 為 10.09mJ，(T{vj} = 150°C) 時為 16.73mJ，(T_{vj} = 175°C) 時為 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) 時均為 3.5J。

反向二極管特性

• 二極管正向電壓 (V{F})：在不同的集電極電流和結(jié)溫條件下有不同的值。例如，當(dāng) (V{GE} = 0 V)，(I{C} = 400 A)，(T{vj} = 25°C) 時，(V{F}) 為 1.34V；當(dāng) (T{vj} = 150°C) 時，為 1.30V；當(dāng) (T_{vj} = 175°C) 時，為 1.29V。
• 反向恢復(fù)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) 的條件下，(T{vj} = 25°C) 時為 1.05mJ，(T{vj} = 150°C) 時為 4.93mJ，(T{vj} = 175°C) 時為 5.90mJ。
• 恢復(fù)電荷 (Q{RR})：在相同條件下，(T{vj} = 25°C) 時為 11.60μC，(T{vj} = 150°C) 時為 25.72μC，(T{vj} = 150°C) 時為 29.28μC。
• 峰值反向恢復(fù)電流 (I{rr})：在相同條件下，(T{vj} = 25°C) 時為 241A，(T{vj} = 150°C) 時為 294A，(T{vj} = 175°C) 時為 304A。

傳感器特性

• 溫度傳感器：在 (T{vj} = 25°C) 時，輸出電壓為 2.5V；在 (T{vj} = 150°C) 時，輸出電壓為 1.7V（典型值）。
• 電流傳感器：在 (I{C} = 1200A) 時，輸出電壓為 416mV；在 (I{C} = 600A) 時，輸出電壓為 223mV；在 (I_{C} = 100A) 時，輸出電壓為 50mV。

這些電氣特性為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。通過了解這些特性，工程師可以選擇合適的工作條件和參數(shù)，優(yōu)化電路性能，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

典型特性曲線

文檔中還提供了一系列典型特性曲線，包括IGBT輸出特性、IGBT轉(zhuǎn)移特性、開關(guān)損耗與電流和電阻的關(guān)系、IGBT開關(guān)時間與電流的關(guān)系、反向偏置安全工作區(qū)、瞬態(tài)熱阻抗、二極管正向特性、二極管開關(guān)損耗與電流和電阻的關(guān)系、溫度傳感器特性、電流傳感器特性以及最大允許 (V_{CE}) 等。這些曲線直觀地展示了模塊在不同條件下的性能變化，有助于工程師更好地理解和應(yīng)用該模塊。

機(jī)械尺寸

文檔給出了Gen II DSC AHPM15 - CEC CASE MODHV的機(jī)械尺寸詳細(xì)信息，包括各個尺寸的最小值、標(biāo)稱值和最大值。在進(jìn)行模塊的安裝和布局時，工程師需要根據(jù)這些尺寸信息來確保模塊