【導讀】汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新突飛猛進，車載充電器（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(shù)工程挑戰(zhàn)一樣，設計人員把目光投向先進技術，以期利用現(xiàn)代超結硅（Super Junction Si）技術以及碳化硅（SiC）技術來提供解決方案。在追求性能的同時，對于車載產品來說，可靠性也是一個重要的話題。
在車載OBC/DCDC應用中，高壓功率半導體器件用的越來越多。對于汽車級高壓半導體功率器件來說，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。
宇宙輻射很少被提及，但事實是無論什么技術的高壓功率半導體器件都會受輻射導致幾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這個應用，闡述宇宙輻射的影響以及評估系統(tǒng)可靠性的方法。
1 宇宙輻射對可靠性影響機理
汽車級高壓器件可靠性的主要因素
汽車級高壓（650V以上）器件的FIT率主要受門級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器件中存在的電場呈指數(shù)級增長。具有相似電場的器件失效率也相似。在過去的幾十年中進行了許多加速試驗，這些試驗表明，當施加的電壓被歸一化為實際雪崩擊穿電壓時，由宇宙射線誘發(fā)的失效率相似。就宇宙射線導致的基本失效機制及其與運行條件的關系而言，Si技術與SiC 技術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，從而可以通過更大的厚度和更低的漂移層或基底層摻雜來實現(xiàn)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(shù)量器件的壽命會用浴盆曲線表示。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(guī)格書以外的時間段。偶然失效期是產品使用周期內發(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，但是可以通過了解應用條件來預測評估失效率。本文會介紹單粒子燒毀時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
宇宙輻射通過高能粒子轟擊地球，以質子，重核為主。少數(shù)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，產生了二級粒子，這些二級粒子承載了原粒子的能量。
一般來說，這些二級粒子有足夠的能量在隨后的碰撞中產生更多的粒子，發(fā)生雪崩倍增。但同時，由于大氣層的吸收會讓粒子密度降低。如下圖所示：
圖三 二級粒子的產生
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，與致密物質發(fā)生交互。對于高壓MOSFETs來說，意味著有一定的機率在阻斷區(qū)域被轟擊。粒子通常以幾百MeV(100MeV≈16pJ)的能量轟擊器件，在幾毫米距離里產生電子空穴對。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的粒子，并產生燒毀，稱之為單粒子燒毀（SEBs）。因此中子是最有害的成分。
簡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(jié)電場分布：
圖四（a）未侵入瞬間的電場分布
當中子與MOSFETs的Si/SiC原子核碰撞時產生反沖離子，離子的動能會引發(fā)在幾毫米范圍內產生小范圍電荷爆炸。在關斷狀態(tài)下，這些電荷載流等離子體將其內部與電場屏蔽。在等離子區(qū)邊緣，高峰值電場強度建立。在相應碰撞產生的離子化過程中，峰值電場逐漸擴大，從而擴展了離子區(qū)（Plasma zone）范圍。
這種自持式的過程稱之為“streamer”，等離子區(qū)的擴展最終會使得Drain與Source電氣短路，短路的發(fā)熱會使Si融化，最終使MOSFETs結構被破壞，從而失效。
圖四（b）入侵后的電場分布
由于失效機理是由碰撞電離過程導致的，在MOSFETs導通模式下，也就是說沒有高強度電場模式下是不會發(fā)生的，所以在評估失效率時，導通模式不用被考慮。
2 FIT率
定義
一個器件的FIT（failures in time）值是指10億個器件在一定時間里運行失效器件的數(shù)量。比如1FIT/器件。公式如下：
N: 測試器件總數(shù)量
F: 失效器件總數(shù)量
T: 測試總小時數(shù)
圖五是兩代汽車級CoolMOS FIT率與電壓關系的示意圖，以便于更容易理解：
圖五 兩代汽車級的FIT率對比
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跟以下條件是有關系的：
關斷電壓：上文提到宇宙輻射失效機制是在關斷條件下發(fā)生的，因此關斷電壓跟失效率有很大的關系，從圖五中也可以看出來。
海拔：高海拔的離子密度越高，海波與失效率呈指數(shù)級別關系，3000米FIT比海平面高一個數(shù)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℃低一個數(shù)量級。
芯片面積：失效率跟芯片面積呈線性關系，面積越大，中子轟擊的幾率也越大。
開通關斷狀態(tài)：FIT跟關斷時間成線性關系
如何測量輻射失效率
1. 自然輻射環(huán)境下的測量
最簡單的方式是存儲試驗，在給定的偏置電壓下對一定數(shù)量的器件進行輻射測量，直至失效發(fā)生，在不同變量，例如Vds， 溫度下進行組合測試。
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(shù)年的長時間或者大量的樣本數(shù)量。
2. 加速測試
在高海拔處，輻射密度會增加，因此高海拔地區(qū)測試可視為加速測試，這種方式的優(yōu)勢是可以反應實際輻射狀態(tài)，例如有些機構會在海拔2962米的德國祖格峰測試點測試，這種方法的缺點是相對難以接近，并且加速因子幾乎不超過 10。
為了保證測量結果有一定的統(tǒng)計可信度，需要等待大約 10 次失效， 根據(jù)前文所說，失效率跟Vds呈指數(shù)關系，典型應用電壓通常低于V(BR)DSS， 例如在520V母線電壓下的650V CoolMOS， 假設10FIT/器件，那就意味著在1000個器件里發(fā)生1個失效需要10年時間。在實際工作電壓條件下為了縮短測試時間且有足夠的失效統(tǒng)計數(shù)，基于JEP151建立的高能質子或中子束加速測試已建立，加速因子可達109。從而實現(xiàn)半小時完成一輪單次測試，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且通過存儲試測試以及加速測試二種方法以確保數(shù)據(jù)的一致性。
3 OBC的通用任務剖面（mission profile）
模型建立
準確的任務剖面文件對于評估高壓半導體在惡劣的汽車應用環(huán)境中的穩(wěn)定性至關重要。下文根據(jù)實際應用并設定某些條件介紹了OBC/HV-LV DC-DC轉換器的通用任務剖面模型。
工作狀態(tài)
當車輛在行駛狀態(tài)，大部分車載電力電子設備都處于主動運行狀態(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)允許充電時才工作。當然在V2L， V2G或者V2V反向的應用場景下，電池也會向車輛外部的設備提供能量。
表一展示電動汽車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)
工作時間
基于上表，英飛凌基于15年汽車使用時間的設定，根據(jù)經驗創(chuàng)建了一個運行時間模型來評估 OBC 和 HV-LV DC-DC 系統(tǒng)中功率半導體的故障率。如表二所示：
此表格的OBC工作時間是基于雙向充電的OBC，在充電及車艙預處理模式下的運行時間高于單向OBC的運行時間。
溫度模型
計算FIT率的另一個重要因素是高壓功率半導體的結溫，結溫與車內的水冷系統(tǒng)耦合。表三展示了車輛狀態(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(tǒng)模型
電氣條件，環(huán)境條件越精準，F(xiàn)IT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。如圖六中虛線框中所示：
圖六 高壓器件位置
1. DC-link母線電壓模型：
母線電壓主導PFC和DCDC原邊。精確的建立長期母線電壓模型至關重要。設置常態(tài)母線電壓：
Vstess1.nor=400V
此外，假設過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 的整個工作時間內，每個開關周期都會出現(xiàn)一個持續(xù)時間為 50 ns 的矩形過沖電壓。當然實際過沖電壓取決于不同的參數(shù)，例如 PCB 布局、封裝、負載和柵極驅動設置。過沖電壓的簡單矩形模型足以評估宇宙輻射的魯棒性。
此外最惡劣的負載突變情況也要考慮，根據(jù)實際經驗，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。此模型中已經包含了上述的過沖和異常情況下的瞬態(tài)電壓。
圖七 電池電壓模型
假定90%的時間電池工作在滿電壓狀態(tài)：
Vstress2=475V；9%的時間，Vlowsoc=440V；對于剩余 1% 的時間，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關頻率等應用參數(shù)，并在表五中進行了說明。
PFC 以連續(xù)導通模式 (CCM) 運行。PFC 的假定開關頻率為 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，最大開關頻率為 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(jié)展示基于前面的任務剖面等模型的宇宙輻射評估結果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A兩代車規(guī)級CoolMOS為例：
圖八 單個器件失效率
從單個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)角度來看FIT率，只需將FIT值與PFC， DCDC級用的器件數(shù)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率來看，無需進一步的可靠性分析。
圖九 系統(tǒng)級失效率
5 總結
隨著新能源汽車的滲透率越來越高，尤其在中國地區(qū)，已達24%左右。車載OBC/DCDC的可靠性的重要性逐漸凸顯。性能表現(xiàn)在實驗室階段會被容易呈現(xiàn)出來，但是大量產品在數(shù)年的可靠性不容易被感知同時卻又很重要。在OBC/DCDC應用中，電壓等級越來越高的情況下，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(tǒng)級別的FIT率評估方法。可能實際應用的任務剖面模型與本文的通用模型有些許差別，英飛凌會為不同的任務剖面模型做出具體評估以保證系統(tǒng)級別的可靠性。
參考文獻
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SystemPlus_GaN_on_Si_HEMT_vs_SJ_MOSFET_Technology_and_Cost_comparison.
Infineon-Physics of Cosmic Radiation-induced Failures in High Voltage Power Devices.
來源：Infineon
作者：李劭陽
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