【導讀】汽車(chē)行業(yè)發(fā)展創(chuàng )新突飛猛進(jìn)，車(chē)載充電器（OBC）與DCDC轉換器（HV-LV DCDC）的應用因此也迅猛發(fā)展，同應對大多數工程挑戰一樣，設計人員把目光投向先進(jìn)技術(shù)，以期利用現代超結硅（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)，對于車(chē)載產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可靠性也是一個(gè)重要的話(huà)題。
在車(chē)載OBC/DCDC應用中，高壓功率半導體器件用的越來(lái)越多。對于汽車(chē)級高壓半導體功率器件來(lái)說(shuō)，門(mén)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)的高壓功率半導體器件都會(huì )受輻射導致幾ns的瞬態(tài)失效，并且很難定位到是宇宙輻射的原因。許多功率半導體應用要求單一器件失效率在1-100FIT甚至更低，因此在高壓汽車(chē)應用里，宇宙輻射的影響需要被認知并得到重視。
因此本文將針對雙向OBC/DCDC這個(gè)應用，闡述宇宙輻射的影響以及評估系統可靠性的方法。
1 宇宙輻射對可靠性影響機理
汽車(chē)級高壓器件可靠性的主要因素
汽車(chē)級高壓（650V以上）器件的FIT率主要受門(mén)級氧化層魯棒性和宇宙輻射魯棒性影響。門(mén)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(mén)極氧化層魯棒性已經(jīng)達到了很高的水平。
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)呈指數級增長(cháng)。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，這些試驗表明，當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(xiàn)誘發(fā)的失效率相似。就宇宙射線(xiàn)導致的基本失效機制及其與運行條件的關(guān)系而言，Si技術(shù)與SiC 技術(shù)之間只有相當細微的差異。一般而言，垂直型功率器件可以設計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)現更強的抗宇宙輻射能力。
圖一 FIT率的主要因素
什么是宇宙輻射
通常描述一定數量器件的壽命會(huì )用浴盆曲線(xiàn)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)早期的測試篩選。對于設計好的器件，損耗失效期只發(fā)生在規格書(shū)以外的時(shí)間段。偶然失效期是產(chǎn)品使用周期內發(fā)生失效的主要考慮因素。宇宙輻射對高壓功率器件的失效影響就屬于這一類(lèi)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)了解應用條件來(lái)預測評估失效率。本文會(huì )介紹單粒子燒毀時(shí)間以及預測宇宙輻射導致的高壓MOSFETs失效率的基本方式。
圖二 浴盆曲線(xiàn)
宇宙輻射通過(guò)高能粒子轟擊地球，以質(zhì)子，重核為主。少數情況下，可測得的粒子能量高達1020 eV。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)生了二級粒子，這些二級粒子承載了原粒子的能量。
一般來(lái)說(shuō)，這些二級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：
圖三 二級粒子的產(chǎn)生
宇宙輻射對功率半導體的影響
當二級粒子到達地球表面時(shí)，與致密物質(zhì)發(fā)生交互。對于高壓MOSFETs來(lái)說(shuō)，意味著(zhù)有一定的機率在阻斷區域被轟擊。粒子通常以幾百MeV(100MeV≈16pJ)的能量轟擊器件，在幾毫米距離里產(chǎn)生電子空穴對。從能譜成分分析，中子是唯一一種數量多且能把能量集中到一點(diǎn)的粒子，并產(chǎn)生燒毀，稱(chēng)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）失效機理：圖四(a)是在中子尚未侵入瞬間反偏狀態(tài)下的p-n節電場(chǎng)分布：
圖四（a）未侵入瞬間的電場(chǎng)分布
當中子與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部與電場(chǎng)屏蔽。在等離子區邊緣，高峰值電場(chǎng)強度建立。在相應碰撞產(chǎn)生的離子化過(guò)程中，峰值電場(chǎng)逐漸擴大，從而擴展了離子區（Plasma zone）范圍。
這種自持式的過(guò)程稱(chēng)之為“streamer”，等離子區的擴展最終會(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結構被破壞，從而失效。
圖四（b）入侵后的電場(chǎng)分布
由于失效機理是由碰撞電離過(guò)程導致的，在MOSFETs導通模式下，也就是說(shuō)沒(méi)有高強度電場(chǎng)模式下是不會(huì )發(fā)生的，所以在評估失效率時(shí)，導通模式不用被考慮。
2 FIT率
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)間里運行失效器件的數量。比如1FIT/器件。公式如下：
N: 測試器件總數量
F: 失效器件總數量
T: 測試總小時(shí)數
圖五是兩代汽車(chē)級CoolMOS FIT率與電壓關(guān)系的示意圖，以便于更容易理解：
圖五 兩代汽車(chē)級的FIT率對比
影響因素
FIT率曲線(xiàn)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，從圖五中也可以看出來(lái)。
海拔：高海拔的離子密度越高，海波與失效率呈指數級別關(guān)系，3000米FIT比海平面高一個(gè)數量級。
結溫：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)數量級。
芯片面積：失效率跟芯片面積呈線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系
如何測量輻射失效率
1. 自然輻射環(huán)境下的測量
最簡(jiǎn)單的方式是存儲試驗，在給定的偏置電壓下對一定數量的器件進(jìn)行輻射測量，直至失效發(fā)生，在不同變量，例如Vds， 溫度下進(jìn)行組合測試。
這種測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。針對這種情況就需要相對低電壓情況下的加速測試，需要人工輻射源加速，以避免數年的長(cháng)時(shí)間或者大量的樣本數量。
2. 加速測試
在高海拔處，輻射密度會(huì )增加，因此高海拔地區測試可視為加速測試，這種方式的優(yōu)勢是可以反應實(shí)際輻射狀態(tài)，例如有些機構會(huì )在海拔2962米的德國祖格峰測試點(diǎn)測試，這種方法的缺點(diǎn)是相對難以接近，并且加速因子幾乎不超過(guò) 10。
為了保證測量結果有一定的統計可信度，需要等待大約 10 次失效， 根據前文所說(shuō)，失效率跟Vds呈指數關(guān)系，典型應用電壓通常低于V(BR)DSS， 例如在520V母線(xiàn)電壓下的650V CoolMOS， 假設10FIT/器件，那就意味著(zhù)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試時(shí)間且有足夠的失效統計數，基于JEP151建立的高能質(zhì)子或中子束加速測試已建立，加速因子可達109。從而實(shí)現半小時(shí)完成一輪單次測試，相應的不同組合的系列測試也更加快捷。
加速測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)存儲試測試以及加速測試二種方法以確保數據的一致性。
3 OBC的通用任務(wù)剖面（mission profile）
模型建立
準確的任務(wù)剖面文件對于評估高壓半導體在惡劣的汽車(chē)應用環(huán)境中的穩定性至關(guān)重要。下文根據實(shí)際應用并設定某些條件介紹了OBC/HV-LV DC-DC轉換器的通用任務(wù)剖面模型。
工作狀態(tài)
當車(chē)輛在行駛狀態(tài)，大部分車(chē)載電力電子設備都處于主動(dòng)運行狀態(tài)，包括HV-LV DC-DC。然而OBC的狀態(tài)相反，僅在汽車(chē)停車(chē)，交流電源可用，且BMS系統允許充電時(shí)才工作。當然在V2L， V2G或者V2V反向的應用場(chǎng)景下，電池也會(huì )向車(chē)輛外部的設備提供能量。
表一展示電動(dòng)汽車(chē)最重要的三種運行模式，并定義了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的運行狀態(tài)
工作時(shí)間
基于上表，英飛凌基于15年汽車(chē)使用時(shí)間的設定，根據經(jīng)驗創(chuàng )建了一個(gè)運行時(shí)間模型來(lái)評估 OBC 和 HV-LV DC-DC 系統中功率半導體的故障率。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(chē)艙預處理模式下的運行時(shí)間高于單向OBC的運行時(shí)間。
溫度模型
計算FIT率的另一個(gè)重要因素是高壓功率半導體的結溫，結溫與車(chē)內的水冷系統耦合。表三展示了車(chē)輛狀態(tài)的溫度模型：
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：
系統模型
電氣條件，環(huán)境條件越精準，FIT結果越是準確。對于OBC和HV-LV DC-DC我們只考慮高壓器件，因為宇宙輻射對高壓器件影響更嚴重。如圖六中虛線(xiàn)框中所示：
圖六 高壓器件位置
1. DC-link母線(xiàn)電壓模型：
母線(xiàn)電壓主導PFC和DCDC原邊。精確的建立長(cháng)期母線(xiàn)電壓模型至關(guān)重要。設置常態(tài)母線(xiàn)電壓：
Vstess1.nor=400V
此外，假設過(guò)沖和異常情況下電壓為額定擊穿電壓的80%：
Vstress1.os=520V
假設在 OBC 的整個(gè)工作時(shí)間內，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì )出現一個(gè)持續時(shí)間為 50 ns 的矩形過(guò)沖電壓。當然實(shí)際過(guò)沖電壓取決于不同的參數，例如 PCB 布局、封裝、負載和柵極驅動(dòng)設置。過(guò)沖電壓的簡(jiǎn)單矩形模型足以評估宇宙輻射的魯棒性。
此外最?lèi)毫拥呢撦d突變情況也要考慮，根據實(shí)際經(jīng)驗，也加入了方波電壓：生命周期里發(fā)生3次，每次10s:
Vstress1.ld=550V
2. 高壓電池包電壓模型
電池電壓取決于充電狀態(tài)，圖七是電池電壓模型。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。
圖七 電池電壓模型
假定90%的時(shí)間電池工作在滿(mǎn)電壓狀態(tài)：
Vstress2=475V；9%的時(shí)間，Vlowsoc=440V；對于剩余 1% 的時(shí)間，假設電池已放電， Vdischg=250V。
3. 應用條件模型
在定義了 OBC 的電氣應力條件后，還需要定義占空比和開(kāi)關(guān)頻率等應用參數，并在表五中進(jìn)行了說(shuō)明。
PFC 以連續導通模式 (CCM) 運行。PFC 的假定開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz。在交流輸入半周期內，占空比在 3% 到 97% 之間變化。
對于 OBC 中的 DC-DC 級，假設全橋拓撲在最高頻率 500 kHz ，占空比為 50%。對于 HV-LV DC-DC 模塊，假設全橋拓撲，最大開(kāi)關(guān)頻率為 500 kHz，占空比為 50%，與 OBC 中的 DC-DC 級相同。
4 宇宙輻射評估結果示例
本章節展示基于前面的任務(wù)剖面等模型的宇宙輻射評估結果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A兩代車(chē)規級CoolMOS為例：
圖八 單個(gè)器件失效率
從單個(gè)器件角度的結果看出相比于老一代的CoolMOS， CFD7A系列具有更強的宇宙輻射魯棒性。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。如果從系統角度來(lái)看FIT率，只需將FIT值與PFC， DCDC級用的器件數量相乘即可。在Totem pole PFC慢管以及OBC中DCDC級以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。
圖九 系統級失效率
5 總結
隨著(zhù)新能源汽車(chē)的滲透率越來(lái)越高，尤其在中國地區，已達24%左右。車(chē)載OBC/DCDC的可靠性的重要性逐漸凸顯。性能表現在實(shí)驗室階段會(huì )被容易呈現出來(lái)，但是大量產(chǎn)品在數年的可靠性不容易被感知同時(shí)卻又很重要。在OBC/DCDC應用中，電壓等級越來(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OBC/DCDC的具體應用，解釋了失效機理以及系統級別的FIT率評估方法?？赡軐?shí)際應用的任務(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估以保證系統級別的可靠性。
參考文獻
Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_Cosmic_Radiation_Assessment-ApplicationNotes-v01_00-EN.
Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_650V-ApplicationNotes-v02_00-EN.
Infineon-Reliability_of_SiC_power_semiconductors-Whitepaper-v01_02-EN.
SystemPlus_GaN_on_Si_HEMT_vs_SJ_MOSFET_Technology_and_Cost_comparison.
Infineon-Physics of Cosmic Radiation-induced Failures in High Voltage Power Devices.
來(lái)源：Infineon
作者：李劭陽(yáng)
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