摘要：

本文推薦了在車載OBC,高壓轉(zhuǎn)電壓DCDC利用中宇宙輻射對高壓功率半導(dǎo)體器件可靠性的作用，估價。

要害詞： OBC；DCDC；宇宙輻射；FIT

引言：

車子產(chǎn)業(yè)進行創(chuàng)新突飛猛進，車載充電器（OBC）與DCDC轉(zhuǎn)換器（HV-LV DC-DC）的利用因而也迅猛進行，同應(yīng)對許多數(shù)工程挑戰(zhàn)一樣，設(shè)置人士把眼光投向領(lǐng)先進步技藝，以期應(yīng)用現(xiàn)代超結(jié)硅（Super Junction Si）技藝以及碳化硅（SiC）技藝來提供解決方案。在追求功能的同一時間，關(guān)于車載產(chǎn)物來講，可靠性也是一種要緊的話題。

在車載OBC/DCDC利用中，高壓功率半導(dǎo)體器件用的越來越多。關(guān)于車子級高壓半導(dǎo)體功率器件來講，門極氧化層的魯棒性和宇宙輻射魯棒性是可靠性十分要緊的兩點。

宇宙輻射很少被說起，但實是是不論甚么技藝的高壓功率半導(dǎo)體器件都會受輻射導(dǎo)致幾ns的瞬態(tài)失效，而且不容易定位到是宇宙輻射的原因。眾多功率半導(dǎo)體利用請求單一器件失效能在1-100FIT甚而更低，因而在高壓車子利用里，宇宙輻射的作用須要被認知并獲得重視。

因而本文將針對雙向OBC/DCDC這種利用，闡述宇宙輻射的作用以及估價體系可靠性的方法。

一、宇宙輻射對可靠性作用機理

1.  車子級高壓器件可靠性的最重要的要素

車子級高壓（650V以上）器件的FIT率最重要的受門級氧化層魯棒性和宇宙輻射魯棒性作用。門極氧化層的料理，SiC器件與Si器件源于資料硬度，帶隙，陷阱密度等的不同導(dǎo)致料理難度不同。雖然如許英飛凌在SiC方面做出了好多的努力與探討讓得門極氧化層魯棒性曾經(jīng)達到了很高的水準。

在SiC和Si中，由宇宙輻射引起的失效能隨入射時器件中存留的電場呈指標數(shù)據(jù)級增添。具備類似電場的器件失效能也類似。在往日的幾十年中發(fā)展了眾多提速試驗，這點試驗表達，當施加的電壓被歸一化為實質(zhì)雪崩擊穿電壓時，由宇宙射線誘發(fā)的失效能類似。就宇宙射線導(dǎo)致的根本失效體制及其與運轉(zhuǎn)要求的關(guān)連而言，Si技藝與SiC 技藝之中唯有差不多細小的差異。 通常而言，垂直型功率器件可行設(shè)置更高的雪崩擊穿電壓，從而可行經(jīng)過很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1：FIT率的最重要的要素

2． 甚么是宇宙輻射

平常描畫必定數(shù)量器件的生命會用浴盆曲線顯示。分為早期失效期，偶然失效期以及損失失效期。早期失效期可行經(jīng)過早期的測試篩選。關(guān)于設(shè)置沒有問題器件，損失失效期只產(chǎn)生在規(guī)格書以外的時間段。偶然失效期是產(chǎn)物運用周期內(nèi)產(chǎn)生失效的最重要的考量要素。宇宙輻射對高壓功率器件的失效作用就隸屬這一類型。

宇宙輻射形成的單粒子燒毀（SEBs）是高壓MOSFETs偶然失效的要素，盡管失效是偶然的，可是可行經(jīng)過理解利用要求來預(yù)測估價失效能。本文會推薦單粒子燒毀時間以及預(yù)測宇宙輻射導(dǎo)致的高壓MOSFETs失效能的根本形式。

圖2：浴盆曲線

宇宙輻射經(jīng)過高能粒子轟擊地球，以質(zhì)子，重核為主。少數(shù)概況下，可測得的粒子能量多達eV。源于大度層的存留，這點粒子與外大度層的原子核磕碰，發(fā)生了二級粒子，這點二級粒子承載了原粒子的能量。

通常來講，這點二級粒子有充足的能量在隨后的磕碰中發(fā)生更多的粒子，產(chǎn)生雪崩倍增。但同一時間，源于大度層的消化會讓粒子密度下降。如是圖所示：

圖3：二級粒子的發(fā)生

3． 宇宙輻射對功率半導(dǎo)體的作用

當二級粒子到達地球外表時，與致密物質(zhì)產(chǎn)生交互。關(guān)于高壓MOSFETs來講，意指著有必定的機率在阻斷地域被轟擊。粒子平常以幾百MeV(100MeV≈16pJ)的能量轟擊器件，在幾mm距離里發(fā)生電子空穴對。從能譜成分剖析，中子是獨一一個數(shù)量多且能把能量聚集到一絲的粒子，并發(fā)生燒毀，稱之為單粒子燒毀（SEBs）。因而中子是最有害的成分。

容易解釋下單粒子燒毀（SEBs）失效機理：圖4(1)是在中子尚未侵入剎那反偏狀況下的p-n節(jié)電場分布：

圖4（1）：未侵入剎那的電場分布

中間子與MOSFETs的Si/SiC原子核磕碰時發(fā)生反沖離子，離子的動能會激發(fā)在幾mm范疇內(nèi)發(fā)生小范疇電荷爆炸。在關(guān)斷狀況下，這點電荷載流等離子體將其里面與電場屏蔽。在等離子區(qū)邊緣，高峰值電場強度構(gòu)建。在相應(yīng)磕碰發(fā)生的離子化進程中，峰值電場漸漸擴大，從而擴展了離子區(qū)（Plasma zone）范疇。

這類自持式的進程稱之為“streamer”，等離子區(qū)的擴展終歸會讓得Drain與Source電氣短路，短路的發(fā)熱會使Si融化，終歸使MOSFETs構(gòu)造被破壞，從而失效。

圖4（2）：入侵后的電場分布

源于失效機理是由磕碰電離進程導(dǎo)致的，在MOSFETs導(dǎo)通形式下，也便是說無高強度電場形式下是不會產(chǎn)生的，是以在估價失效能時，導(dǎo)通形式不用被考量。

二、FIT率

1.  定義

一種器件的FIT（failures in time）值是指10億個器件在必定時間里運轉(zhuǎn)失效器件的數(shù)量。例如1FIT/器件。公式如是：

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5是兩代車子級CoolMOS FIT率與電壓關(guān)連的示意圖，以便于更簡單了解：

圖5：兩代車子級的FIT率對照

2．作用要素

FIT率曲線平常是在單位面積下，25℃且0海拔的要求下定義的，從定義中瞧出FIT跟之下要求是相關(guān)系的：

關(guān)斷電壓：上文提到宇宙輻射失效體制是在關(guān)斷要求發(fā)放生的，因而關(guān)斷電壓跟失效能有相當大的關(guān)連，從圖5中也可行瞧出來。

海拔：高海拔的離子密度越高，海波與失效能呈指標數(shù)據(jù)等級關(guān)連，3000米FIT比海平面高一種數(shù)量級。

結(jié)溫：溫度與失效能呈反向特性，溫度越高，失效能越低，125℃要求下的失效能比25℃低一種數(shù)量級。

芯片面積：失效能跟芯片面積呈線性關(guān)連，面積越大，中子轟擊的概率也越大。

開通關(guān)斷狀況：FIT跟關(guān)斷時間成線性關(guān)連

3．如何測量輻射失效能

·       當然輻射環(huán)境下的測量

最容易的形式是存儲試驗，在給定的偏置電壓下對必定數(shù)量的器件發(fā)展輻射測量，直至失效產(chǎn)生，在不同變量，比如Vds， 溫度下發(fā)展組合測試。

這類測試方法只適用于在極限電壓周邊的失效能。不適用于實質(zhì)事業(yè)電壓與V(BR)DSS偏差大的要求。針對這類概況就須要相對低電壓概況下的提速測試，須要人力輻射源提速，以幸免數(shù)年的長時間或許大批的樣本數(shù)量。

·       提速測試

在高海拔處，輻射密度會增添，因而高海拔地域測試可見為提速測試，這類形式的優(yōu)勢是可行反映實質(zhì)輻射狀況，比如有些機構(gòu)會在海拔2962米的德國祖格峰測試點測試，這類方法的缺點是相對難以挨近，而且提速因子差不多不超越 10。

為了確保測量結(jié)果有必定的統(tǒng)算可信度，須要等候大約 10 次失效， 依據(jù)前文所說，失效能跟Vds呈指標數(shù)據(jù)關(guān)連，典范利用電壓平常低于V(BR)DSS， 比如在520V母線電壓下的650V CoolMOS， 假設(shè)10FIT/器件，那就意指著在1000個器件里產(chǎn)生1個失效須要10年時間。在實質(zhì)事業(yè)電壓要求下為了縮小測試時間且有充足的失效統(tǒng)算數(shù)，鑒于JEP151構(gòu)建的高能質(zhì)子或中子束提速測試已構(gòu)建，提速因子可達109。從而實現(xiàn)半小時達成一輪單次測試，相應(yīng)的不同組合的系列測試也愈加快速便捷。

提速測試中運用的人力輻射源的能譜是局限的或許僅有一個粒子。因而英飛凌鑒于JEP152且經(jīng)過存儲試測試以及提速測試二種方法以保證數(shù)據(jù)的絕對性。

三、OBC的通用任務(wù)剖面（mission profile）模子構(gòu)建

明確的任務(wù)剖面文獻關(guān)于估價高壓半導(dǎo)體在惡劣的車子利用環(huán)境中的穩(wěn)固性至關(guān)要緊。下文依據(jù)實質(zhì)利用并設(shè)定某些要求推薦了OBC/HV-LV DC-DC轉(zhuǎn)換器的通用任務(wù)剖面模子。

1．事業(yè)狀況

當機動車在行進狀況，多數(shù)車載電力電子設(shè)施都處于主動運轉(zhuǎn)狀況，包括HV-LV DC-DC。 然則OBC的狀況相反，僅在車子泊車，交流電源可用，且BMS體系應(yīng)允充電時才事業(yè)。自然在V2L， V2G或許V2V反向的利用情景下，電池也會向機動車外部的設(shè)施提供能量。

表一展現(xiàn)電動車子最要緊的三種運轉(zhuǎn)形式，并定義了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的運轉(zhuǎn)狀況。

2．事業(yè)時間

鑒于上表，英飛凌鑒于15年車子運用時間的設(shè)定，依據(jù)經(jīng)歷組建了一種運轉(zhuǎn)時間模子來估價 OBC 和 HV-LV DC-DC 體系中功率半導(dǎo)體的故障率。 如表二所示：

此表格的OBC事業(yè)時間是鑒于雙向充電的OBC，在充電及車艙預(yù)料理形式下的運轉(zhuǎn)時間超出單向OBC的運轉(zhuǎn)時間。

3．溫度模子

計算FIT率的另一種要緊要素是高壓功率半導(dǎo)體的結(jié)溫，結(jié)溫與汽車內(nèi)部的水冷體系耦合。表三展現(xiàn)了機動車狀況的溫度模子：

4．海拔模子

如前文所述，宇宙輻射激發(fā)故障的一種要緊提速因子便是海拔，英飛凌鑒于全世界人數(shù)的海拔分布制作了海拔模子，如表四所示：

5．體系模子

電氣要求，環(huán)境要求越精確，F(xiàn)IT結(jié)果越是明確。關(guān)于OBC和HV-LV DC-DC咱們只考量高壓器件，由于宇宙輻射對高壓器件作用更慘重。如圖6中虛線框中所示：

圖6：高壓器件位子

·       DC-link母線電壓模子：

母線電壓主導(dǎo)PFC和DCDC原邊。精準的構(gòu)建長久母線電壓模子至關(guān)要緊。設(shè)計常態(tài)母線電壓：

Vstess1.nor=400V

另外，假設(shè)過沖和反常概況下電壓為額定擊穿電壓的80%：

Vstress1.os=520V

假設(shè)在 OBC 的全個事業(yè)時間內(nèi)，每個開關(guān)周期都會顯露一種持續(xù)時間為 50 ns 的矩形過沖電壓。自然實質(zhì)過沖電壓取決于不同的參數(shù)，比如 PCB 布置、封裝、負載和柵極驅(qū)動設(shè)計。過沖電壓的容易矩形模子足以估價宇宙輻射的魯棒性。

另外最惡劣的負載突變概況也要考量，依據(jù)實質(zhì)經(jīng)歷，也加入了方波電壓：壽命周期里產(chǎn)生3次，每一次10s:

Vstress1.ld=550V。

·       高壓電池包電壓模子

電池電壓取決于充電狀況，圖7是電池電壓模子。此模子中曾經(jīng)包涵了上述的過沖和反常概況下的瞬態(tài)電壓。

圖7：電池電壓模子

假定90%的時間電池事業(yè)在滿電壓狀況：

Vstress2=475V；9%的時間，Vlowsoc=440V；關(guān)于剩余 1% 的時間，假設(shè)電池已放電， Vdischg=250V。

·       利用要求模子

在定義了 OBC 的電氣應(yīng)力要求后，還須要定義占空比和開關(guān)頻次等利用參數(shù)，并在表五中發(fā)展了講明。

PFC 以延續(xù)導(dǎo)通形式 (CCM) 運轉(zhuǎn)。 PFC 的假定開關(guān)頻次為 100 kHz。 在交流輸入半周期內(nèi)，占空比在 3% 到 97% 之中浮動。

關(guān)于 OBC 中的 DC-DC 級，假設(shè)全橋拓撲在最高頻次 500 kHz ，占空比為 50%。關(guān)于 HV-LV DC-DC 模塊，假設(shè)全橋拓撲，第一大開關(guān)頻次為 500 kHz，占空比為 50%，與 OBC 中的 DC-DC 級相同。

四、宇宙輻射估價結(jié)果示例

本章節(jié)展現(xiàn)鑒于前面的任務(wù)剖面等模子的宇宙輻射估價結(jié)果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A兩代車規(guī)級CoolMOS為例：

圖8：單個器件失效能

從單個器件方位的結(jié)果瞧出比較于老一代的CoolMOS， CFD7A系列具備更強的宇宙輻射魯棒性。假如電池電壓是475V， 這種特性就更為要緊。老一代的CFDA系列適用于420V的電池電壓。假如從體系方位來看FIT率，只要將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，沒有需進一步的可靠性剖析。

圖9：體系級失效能

五、總結(jié)

隨著新燃料車子的滲透率越來越高，尤其在華夏地域，已達24%左右。車載OBC/DCDC的可靠性的要緊性漸漸凸顯。功能體現(xiàn)在實驗室階段會被簡單表現(xiàn)出去，可是大批產(chǎn)物在數(shù)年的可靠性很難被感知同一時間卻又很要緊。在OBC/DCDC利用中，電壓級別越來越高的概況下，宇宙輻射被說起的其實不多，可是要緊性不可忽視。

本文針對OBC/DCDC的詳細利用，解釋了失效機理以及體系等級的FIT率估價方法。可能實質(zhì)利用的任務(wù)剖面模子與本文的通用模子有些許差別，英飛凌會為不同的任務(wù)剖面模子做出示體估價以確保體系等級的可靠性。

參考文件

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）局限企業(yè)現(xiàn)場利用工程師 李劭陽）