摘要：

本文介紹了在車載OBC,高壓轉(zhuǎn)電壓DCDC應(yīng)用中宇宙輻射對(duì)高壓功率半導(dǎo)體器件可靠性的影響，評(píng)估。

關(guān)鍵詞： OBC；DCDC；宇宙輻射；FIT

引言：

汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新突飛猛進(jìn)，車載充電器（OBC）與DCDC轉(zhuǎn)換器（HV-LV DC-DC）的應(yīng)用因此也迅猛發(fā)展，同應(yīng)對(duì)大多數(shù)工程挑戰(zhàn)一樣，設(shè)計(jì)人員把目光投向先進(jìn)技術(shù)，以期利用現(xiàn)代超結(jié)硅（Super Junction Si）技術(shù)以及碳化硅（SiC）技術(shù)來(lái)提供解決方案。在追求性能的同時(shí)，對(duì)于車載產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可靠性也是一個(gè)重要的話題。

在車載OBC/DCDC應(yīng)用中，高壓功率半導(dǎo)體器件用的越來(lái)越多。對(duì)于汽車級(jí)高壓半導(dǎo)體功率器件來(lái)說(shuō)，門極氧化層的魯棒性和宇宙輻射魯棒性是可靠性非常重要的兩點(diǎn)。

宇宙輻射很少被提及，但事實(shí)是無(wú)論什么技術(shù)的高壓功率半導(dǎo)體器件都會(huì)受輻射導(dǎo)致幾ns的瞬態(tài)失效，并且很難定位到是宇宙輻射的原因。許多功率半導(dǎo)體應(yīng)用要求單一器件失效率在1-100FIT甚至更低，因此在高壓汽車應(yīng)用里，宇宙輻射的影響需要被認(rèn)知并得到重視。

因此本文將針對(duì)雙向OBC/DCDC這個(gè)應(yīng)用，闡述宇宙輻射的影響以及評(píng)估系統(tǒng)可靠性的方法。

一、宇宙輻射對(duì)可靠性影響機(jī)理

1.  汽車級(jí)高壓器件可靠性的主要因素

汽車級(jí)高壓（650V以上）器件的FIT率主要受門級(jí)氧化層魯棒性和宇宙輻射魯棒性影響。門極氧化層的處理，SiC器件與Si器件由于材料硬度，帶隙，陷阱密度等的不同導(dǎo)致處理難度不同。盡管如此英飛凌在SiC方面做出了很多的努力與研究使得門極氧化層魯棒性已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。

在SiC和Si中，由宇宙輻射引起的失效率隨入射時(shí)器件中存在的電場(chǎng)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。具有相似電場(chǎng)的器件失效率也相似。在過(guò)去的幾十年中進(jìn)行了許多加速試驗(yàn)，這些試驗(yàn)表明，當(dāng)施加的電壓被歸一化為實(shí)際雪崩擊穿電壓時(shí)，由宇宙射線誘發(fā)的失效率相似。就宇宙射線導(dǎo)致的基本失效機(jī)制及其與運(yùn)行條件的關(guān)系而言，Si技術(shù)與SiC 技術(shù)之間只有相當(dāng)細(xì)微的差異。 一般而言，垂直型功率器件可以設(shè)計(jì)更高的雪崩擊穿電壓，從而可以通過(guò)更大的厚度和更低的漂移層或基底層摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抗宇宙輻射能力。

圖1：FIT率的主要因素

2．什么是宇宙輻射

通常描述一定數(shù)量器件的壽命會(huì)用浴盆曲線表示。分為早期失效期，偶然失效期以及損耗失效期。早期失效期可以通過(guò)早期的測(cè)試篩選。對(duì)于設(shè)計(jì)好的器件，損耗失效期只發(fā)生在規(guī)格書(shū)以外的時(shí)間段。偶然失效期是產(chǎn)品使用周期內(nèi)發(fā)生失效的主要考慮因素。宇宙輻射對(duì)高壓功率器件的失效影響就屬于這一類別。

宇宙輻射造成的單粒子燒毀（SEBs）是高壓MOSFETs偶然失效的因素，雖然失效是偶然的，但是可以通過(guò)了解應(yīng)用條件來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)估失效率。本文會(huì)介紹單粒子燒毀時(shí)間以及預(yù)測(cè)宇宙輻射導(dǎo)致的高壓MOSFETs失效率的基本方式。

圖2：浴盆曲線

宇宙輻射通過(guò)高能粒子轟擊地球，以質(zhì)子，重核為主。少數(shù)情況下，可測(cè)得的粒子能量高達(dá)10²⁰eV。由于大氣層的存在，這些粒子與外大氣層的原子核碰撞，產(chǎn)生了二級(jí)粒子，這些二級(jí)粒子承載了原粒子的能量。

一般來(lái)說(shuō)，這些二級(jí)粒子有足夠的能量在隨后的碰撞中產(chǎn)生更多的粒子，發(fā)生雪崩倍增。但同時(shí)，由于大氣層的吸收會(huì)讓粒子密度降低。如下圖所示：

圖3：二級(jí)粒子的產(chǎn)生

3．宇宙輻射對(duì)功率半導(dǎo)體的影響

當(dāng)二級(jí)粒子到達(dá)地球表面時(shí)，與致密物質(zhì)發(fā)生交互。對(duì)于高壓MOSFETs來(lái)說(shuō)，意味著有一定的機(jī)率在阻斷區(qū)域被轟擊。粒子通常以幾百M(fèi)eV(100MeV≈16pJ)的能量轟擊器件，在幾毫米距離里產(chǎn)生電子空穴對(duì)。從能譜成分分析，中子是唯一一種數(shù)量多且能把能量集中到一點(diǎn)的粒子，并產(chǎn)生燒毀，稱之為單粒子燒毀（SEBs）。因此中子是最有害的成分。

簡(jiǎn)單解釋下單粒子燒毀（SEBs）失效機(jī)理：圖4(1)是在中子尚未侵入瞬間反偏狀態(tài)下的p-n節(jié)電場(chǎng)分布：

圖4（1）：未侵入瞬間的電場(chǎng)分布

當(dāng)中子與MOSFETs的Si/SiC原子核碰撞時(shí)產(chǎn)生反沖離子，離子的動(dòng)能會(huì)引發(fā)在幾毫米范圍內(nèi)產(chǎn)生小范圍電荷爆炸。在關(guān)斷狀態(tài)下，這些電荷載流等離子體將其內(nèi)部與電場(chǎng)屏蔽。在等離子區(qū)邊緣，高峰值電場(chǎng)強(qiáng)度建立。在相應(yīng)碰撞產(chǎn)生的離子化過(guò)程中，峰值電場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，從而擴(kuò)展了離子區(qū)（Plasma zone）范圍。

這種自持式的過(guò)程稱之為“streamer”，等離子區(qū)的擴(kuò)展最終會(huì)使得Drain與Source電氣短路，短路的發(fā)熱會(huì)使Si融化，最終使MOSFETs結(jié)構(gòu)被破壞，從而失效。

圖4（2）：入侵后的電場(chǎng)分布

由于失效機(jī)理是由碰撞電離過(guò)程導(dǎo)致的，在MOSFETs導(dǎo)通模式下，也就是說(shuō)沒(méi)有高強(qiáng)度電場(chǎng)模式下是不會(huì)發(fā)生的，所以在評(píng)估失效率時(shí)，導(dǎo)通模式不用被考慮。

二、FIT率

1.  定義

一個(gè)器件的FIT（failures in time）值是指10億個(gè)器件在一定時(shí)間里運(yùn)行失效器件的數(shù)量。比如1FIT/器件。公式如下：

N: 測(cè)試器件總數(shù)量

F: 失效器件總數(shù)量

T: 測(cè)試總小時(shí)數(shù)

圖5是兩代汽車級(jí)CoolMOS FIT率與電壓關(guān)系的示意圖，以便于更容易理解：

圖5：兩代汽車級(jí)的FIT率對(duì)比

2．影響因素

FIT率曲線通常是在單位面積下，25℃且0海拔的條件下定義的，從定義中看出FIT跟以下條件是有關(guān)系的：

關(guān)斷電壓：上文提到宇宙輻射失效機(jī)制是在關(guān)斷條件下發(fā)生的，因此關(guān)斷電壓跟失效率有很大的關(guān)系，從圖5中也可以看出來(lái)。

海拔：高海拔的離子密度越高，海波與失效率呈指數(shù)級(jí)別關(guān)系，3000米FIT比海平面高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

結(jié)溫：溫度與失效率呈反向特性，溫度越高，失效率越低，125℃條件下的失效率比25℃低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

芯片面積：失效率跟芯片面積呈線性關(guān)系，面積越大，中子轟擊的幾率也越大。

開(kāi)通關(guān)斷狀態(tài)：FIT跟關(guān)斷時(shí)間成線性關(guān)系

3．如何測(cè)量輻射失效率

·       自然輻射環(huán)境下的測(cè)量

最簡(jiǎn)單的方式是存儲(chǔ)試驗(yàn)，在給定的偏置電壓下對(duì)一定數(shù)量的器件進(jìn)行輻射測(cè)量，直至失效發(fā)生，在不同變量，例如Vds， 溫度下進(jìn)行組合測(cè)試。

這種測(cè)試方法只適用于在極限電壓附近的失效率。不適用于實(shí)際工作電壓與V(BR)DSS偏差大的條件。針對(duì)這種情況就需要相對(duì)低電壓情況下的加速測(cè)試，需要人工輻射源加速，以避免數(shù)年的長(zhǎng)時(shí)間或者大量的樣本數(shù)量。

·       加速測(cè)試

在高海拔處，輻射密度會(huì)增加，因此高海拔地區(qū)測(cè)試可視為加速測(cè)試，這種方式的優(yōu)勢(shì)是可以反應(yīng)實(shí)際輻射狀態(tài)，例如有些機(jī)構(gòu)會(huì)在海拔2962米的德國(guó)祖格峰測(cè)試點(diǎn)測(cè)試，這種方法的缺點(diǎn)是相對(duì)難以接近，并且加速因子幾乎不超過(guò) 10。

為了保證測(cè)量結(jié)果有一定的統(tǒng)計(jì)可信度，需要等待大約 10 次失效， 根據(jù)前文所說(shuō)，失效率跟Vds呈指數(shù)關(guān)系，典型應(yīng)用電壓通常低于V(BR)DSS， 例如在520V母線電壓下的650V CoolMOS， 假設(shè)10FIT/器件，那就意味著在1000個(gè)器件里發(fā)生1個(gè)失效需要10年時(shí)間。在實(shí)際工作電壓條件下為了縮短測(cè)試時(shí)間且有足夠的失效統(tǒng)計(jì)數(shù)，基于JEP151建立的高能質(zhì)子或中子束加速測(cè)試已建立，加速因子可達(dá)10⁹。從而實(shí)現(xiàn)半小時(shí)完成一輪單次測(cè)試，相應(yīng)的不同組合的系列測(cè)試也更加快捷。

加速測(cè)試中使用的人工輻射源的能譜是有限的或者僅有一種粒子。因此英飛凌基于JEP152且通過(guò)存儲(chǔ)試測(cè)試以及加速測(cè)試二種方法以確保數(shù)據(jù)的一致性。

三、OBC的通用任務(wù)剖面（mission profile）模型建立

準(zhǔn)確的任務(wù)剖面文件對(duì)于評(píng)估高壓半導(dǎo)體在惡劣的汽車應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性至關(guān)重要。下文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用并設(shè)定某些條件介紹了OBC/HV-LV DC-DC轉(zhuǎn)換器的通用任務(wù)剖面模型。

1．工作狀態(tài)

當(dāng)車輛在行駛狀態(tài)，大部分車載電力電子設(shè)備都處于主動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，包括HV-LV DC-DC。 然而OBC的狀態(tài)相反，僅在汽車停車，交流電源可用，且BMS系統(tǒng)允許充電時(shí)才工作。當(dāng)然在V2L， V2G或者V2V反向的應(yīng)用場(chǎng)景下，電池也會(huì)向車輛外部的設(shè)備提供能量。

表一展示電動(dòng)汽車最重要的三種運(yùn)行模式，并定義了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的運(yùn)行狀態(tài)。

2．工作時(shí)間

基于上表，英飛凌基于15年汽車使用時(shí)間的設(shè)定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建了一個(gè)運(yùn)行時(shí)間模型來(lái)評(píng)估 OBC 和 HV-LV DC-DC 系統(tǒng)中功率半導(dǎo)體的故障率。 如表二所示：

此表格的OBC工作時(shí)間是基于雙向充電的OBC，在充電及車艙預(yù)處理模式下的運(yùn)行時(shí)間高于單向OBC的運(yùn)行時(shí)間。

3．溫度模型

計(jì)算FIT率的另一個(gè)重要因素是高壓功率半導(dǎo)體的結(jié)溫，結(jié)溫與車內(nèi)的水冷系統(tǒng)耦合。表三展示了車輛狀態(tài)的溫度模型：

4．海拔模型

如前文所述，宇宙輻射引發(fā)故障的一個(gè)重要加速因子就是海拔，英飛凌基于全球人口的海拔分布制作了海拔模型，如表四所示：

5．系統(tǒng)模型

電氣條件，環(huán)境條件越精準(zhǔn)，F(xiàn)IT結(jié)果越是準(zhǔn)確。對(duì)于OBC和HV-LV DC-DC我們只考慮高壓器件，因?yàn)橛钪孑椛鋵?duì)高壓器件影響更嚴(yán)重。如圖6中虛線框中所示：

圖6：高壓器件位置

·       DC-link母線電壓模型：

母線電壓主導(dǎo)PFC和DCDC原邊。精確的建立長(zhǎng)期母線電壓模型至關(guān)重要。設(shè)置常態(tài)母線電壓：

Vstess1.nor=400V

此外，假設(shè)過(guò)沖和異常情況下電壓為額定擊穿電壓的80%：

Vstress1.os=520V

假設(shè)在 OBC 的整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 50 ns 的矩形過(guò)沖電壓。當(dāng)然實(shí)際過(guò)沖電壓取決于不同的參數(shù)，例如 PCB 布局、封裝、負(fù)載和柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)置。過(guò)沖電壓的簡(jiǎn)單矩形模型足以評(píng)估宇宙輻射的魯棒性。

此外最惡劣的負(fù)載突變情況也要考慮，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，也加入了方波電壓：生命周期里發(fā)生3次，每次10s:

Vstress1.ld=550V。

·       高壓電池包電壓模型

電池電壓取決于充電狀態(tài)，圖7是電池電壓模型。此模型中已經(jīng)包含了上述的過(guò)沖和異常情況下的瞬態(tài)電壓。

圖7：電池電壓模型

假定90%的時(shí)間電池工作在滿電壓狀態(tài)：

Vstress2=475V；9%的時(shí)間，Vlowsoc=440V；對(duì)于剩余 1% 的時(shí)間，假設(shè)電池已放電， Vdischg=250V。

·       應(yīng)用條件模型

在定義了 OBC 的電氣應(yīng)力條件后，還需要定義占空比和開(kāi)關(guān)頻率等應(yīng)用參數(shù)，并在表五中進(jìn)行了說(shuō)明。

PFC 以連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 運(yùn)行。 PFC 的假定開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz。 在交流輸入半周期內(nèi)，占空比在 3% 到 97% 之間變化。

對(duì)于 OBC 中的 DC-DC 級(jí)，假設(shè)全橋拓?fù)湓谧罡哳l率 500 kHz ，占空比為 50%。對(duì)于 HV-LV DC-DC 模塊，假設(shè)全橋拓?fù)?，最大開(kāi)關(guān)頻率為 500 kHz，占空比為 50%，與 OBC 中的 DC-DC 級(jí)相同。

四、宇宙輻射評(píng)估結(jié)果示例

本章節(jié)展示基于前面的任務(wù)剖面等模型的宇宙輻射評(píng)估結(jié)果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A兩代車規(guī)級(jí)CoolMOS為例：

圖8：?jiǎn)蝹€(gè)器件失效率

從單個(gè)器件角度的結(jié)果看出相比于老一代的CoolMOS， CFD7A系列具有更強(qiáng)的宇宙輻射魯棒性。如果電池電壓是475V， 這個(gè)特性就更為重要。老一代的CFDA系列適用于420V的電池電壓。如果從系統(tǒng)角度來(lái)看FIT率，只需將FIT值與PFC， DCDC級(jí)用的器件數(shù)量相乘即可。在Totem pole PFC慢管以及OBC中DCDC級(jí)以CFD7A方案為例，從總FIT率來(lái)看，無(wú)需進(jìn)一步的可靠性分析。

圖9：系統(tǒng)級(jí)失效率

五、總結(jié)

隨著新能源汽車的滲透率越來(lái)越高，尤其在中國(guó)地區(qū)，已達(dá)24%左右。車載OBC/DCDC的可靠性的重要性逐漸凸顯。性能表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室階段會(huì)被容易呈現(xiàn)出來(lái)，但是大量產(chǎn)品在數(shù)年的可靠性不容易被感知同時(shí)卻又很重要。在OBC/DCDC應(yīng)用中，電壓等級(jí)越來(lái)越高的情況下，宇宙輻射被提及的并不多，但是重要性不可忽視。

本文針對(duì)OBC/DCDC的具體應(yīng)用，解釋了失效機(jī)理以及系統(tǒng)級(jí)別的FIT率評(píng)估方法?？赡軐?shí)際應(yīng)用的任務(wù)剖面模型與本文的通用模型有些許差別，英飛凌會(huì)為不同的任務(wù)剖面模型做出具體評(píng)估以保證系統(tǒng)級(jí)別的可靠性。

參考文獻(xiàn)

1.     Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_Cosmic_Radiation_Assessment-ApplicationNotes-v01_00-EN

2.     Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_650V-ApplicationNotes-v02_00-EN

3.     Infineon-Reliability_of_SiC_power_semiconductors-Whitepaper-v01_02-EN

4.     SystemPlus_GaN_on_Si_HEMT_vs_SJ_MOSFET_Technology_and_Cost_comparison

5.     Infineon-Physics of Cosmic Radiation-induced Failures in High Voltage Power Devices

（本文作者：英飛凌半導(dǎo)體（深圳）有限公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 李劭陽(yáng)）

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