宇宙辐射对OBC/DCDC中高压SiC/Si器件的影响及评估

Ronan62054

汽车行业发展创新突飞猛进，车载充电器（OBC）与DCDC转换器（HV-LV DCDC）的应用因此也迅猛发展，同应对大多数工程挑战一样，设计人员把目光投向先进技术，以期利用现代超结硅（Super Junction Si）技术以及碳化硅（SiC）技术来提供解决方案。在追求性能的同时，对于车载产品来说，可靠性也是一个重要的话题。
【导读】汽车行业发展创新突飞猛进，车载充电器（OBC）与DCDC转换器（HV-LV DCDC）的应用因此也迅猛发展，同应对大多数工程挑战一样，设计人员把目光投向先进技术，以期利用现代超结硅（Super Junction Si）技术以及碳化硅（SiC）技术来提供解决方案。在追求性能的同时，对于车载产品来说，可靠性也是一个重要的话题。
在车载OBC/DCDC应用中，高压功率半导体器件用的越来越多。对于汽车级高压半导体功率器件来说，门极氧化层的鲁棒性和宇宙辐射鲁棒性是可靠性非常重要的两点。
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宇宙辐射很少被提及，但事实是无论什么技术的高压功率半导体器件都会受辐射导致几ns的瞬态失效，并且很难定位到是宇宙辐射的原因。许多功率半导体应用要求单一器件失效率在1-100FIT甚至更低，因此在高压汽车应用里，宇宙辐射的影响需要被认知并得到重视。
因此本文将针对双向OBC/DCDC这个应用，阐述宇宙辐射的影响以及评估系统可靠性的方法。
1 宇宙辐射对可靠性影响机理
汽车级高压器件可靠性的主要因素
汽车级高压（650V以上）器件的FIT率主要受门级氧化层鲁棒性和宇宙辐射鲁棒性影响。门极氧化层的处理，SiC器件与Si器件由于材料硬度，带隙，陷阱密度等的不同导致处理难度不同。尽管如此英飞凌在SiC方面做出了很多的努力与研究使得门极氧化层鲁棒性已经达到了很高的水平。
在SiC和Si中，由宇宙辐射引起的失效率随入射时器件中存在的电场呈指数级增长。具有相似电场的器件失效率也相似。在过去的几十年中进行了许多加速试验，这些试验表明，当施加的电压被归一化为实际雪崩击穿电压时，由宇宙射线诱发的失效率相似。就宇宙射线导致的基本失效机制及其与运行条件的关系而言，Si技术与SiC 技术之间只有相当细微的差异。一般而言，垂直型功率器件可以设计更高的雪崩击穿电压，从而可以通过更大的厚度和更低的漂移层或基底层掺杂来实现更强的抗宇宙辐射能力。




图一 FIT率的主要因素
什么是宇宙辐射
通常描述一定数量器件的寿命会用浴盆曲线表示。分为早期失效期，偶然失效期以及损耗失效期。早期失效期可以通过早期的测试筛选。对于设计好的器件，损耗失效期只发生在规格书以外的时间段。偶然失效期是产品使用周期内发生失效的主要考虑因素。宇宙辐射对高压功率器件的失效影响就属于这一类别。
宇宙辐射造成的单粒子烧毁（SEBs）是高压MOSFETs偶然失效的因素，虽然失效是偶然的，但是可以通过了解应用条件来预测评估失效率。本文会介绍单粒子烧毁时间以及预测宇宙辐射导致的高压MOSFETs失效率的基本方式。




图二 浴盆曲线
宇宙辐射通过高能粒子轰击地球，以质子，重核为主。少数情况下，可测得的粒子能量高达1020 eV。由于大气层的存在，这些粒子与外大气层的原子核碰撞，产生了二级粒子，这些二级粒子承载了原粒子的能量。
一般来说，这些二级粒子有足够的能量在随后的碰撞中产生更多的粒子，发生雪崩倍增。但同时，由于大气层的吸收会让粒子密度降低。如下图所示：




图三 二级粒子的产生
宇宙辐射对功率半导体的影响
当二级粒子到达地球表面时，与致密物质发生交互。对于高压MOSFETs来说，意味着有一定的机率在阻断区域被轰击。粒子通常以几百MeV(100MeV≈16pJ)的能量轰击器件，在几毫米距离里产生电子空穴对。从能谱成分分析，中子是唯一一种数量多且能把能量集中到一点的粒子，并产生烧毁，称之为单粒子烧毁（SEBs）。因此中子是最有害的成分。
简单解释下单粒子烧毁（SEBs）失效机理：图四(a)是在中子尚未侵入瞬间反偏状态下的p-n节电场分布：




图四（a）未侵入瞬间的电场分布
当中子与MOSFETs的Si/SiC原子核碰撞时产生反冲离子，离子的动能会引发在几毫米范围内产生小范围电荷爆炸。在关断状态下，这些电荷载流等离子体将其内部与电场屏蔽。在等离子区边缘，高峰值电场强度建立。在相应碰撞产生的离子化过程中，峰值电场逐渐扩大，从而扩展了离子区（Plasma zone）范围。
这种自持式的过程称之为“streamer”，等离子区的扩展最终会使得Drain与Source电气短路，短路的发热会使Si融化，最终使MOSFETs结构被破坏，从而失效。




图四（b）入侵后的电场分布
由于失效机理是由碰撞电离过程导致的，在MOSFETs导通模式下，也就是说没有高强度电场模式下是不会发生的，所以在评估失效率时，导通模式不用被考虑。
2 FIT率
定义
一个器件的FIT（failures in time）值是指10亿个器件在一定时间里运行失效器件的数量。比如1FIT/器件。公式如下：




N: 测试器件总数量
F: 失效器件总数量
T: 测试总小时数
图五是两代汽车级CoolMOS FIT率与电压关系的示意图，以便于更容易理解：




图五 两代汽车级的FIT率对比
影响因素
FIT率曲线通常是在单位面积下，25℃且0海拔的条件下定义的，从定义中看出FIT跟以下条件是有关系的：
关断电压：上文提到宇宙辐射失效机制是在关断条件下发生的，因此关断电压跟失效率有很大的关系，从图五中也可以看出来。
海拔：高海拔的离子密度越高，海波与失效率呈指数级别关系，3000米FIT比海平面高一个数量级。
结温：温度与失效率呈反向特性，温度越高，失效率越低，125℃条件下的失效率比25℃低一个数量级。
芯片面积：失效率跟芯片面积呈线性关系，面积越大，中子轰击的几率也越大。
开通关断状态：FIT跟关断时间成线性关系
如何测量辐射失效率
1. 自然辐射环境下的测量
最简单的方式是存储试验，在给定的偏置电压下对一定数量的器件进行辐射测量，直至失效发生，在不同变量，例如Vds， 温度下进行组合测试。
这种测试方法只适用于在极限电压附近的失效率。不适用于实际工作电压与V(BR)DSS偏差大的条件。针对这种情况就需要相对低电压情况下的加速测试，需要人工辐射源加速，以避免数年的长时间或者大量的样本数量。
2. 加速测试
在高海拔处，辐射密度会增加，因此高海拔地区测试可视为加速测试，这种方式的优势是可以反应实际辐射状态，例如有些机构会在海拔2962米的德国祖格峰测试点测试，这种方法的缺点是相对难以接近，并且加速因子几乎不超过 10。
为了保证测量结果有一定的统计可信度，需要等待大约 10 次失效， 根据前文所说，失效率跟Vds呈指数关系，典型应用电压通常低于V(BR)DSS， 例如在520V母线电压下的650V CoolMOS， 假设10FIT/器件，那就意味着在1000个器件里发生1个失效需要10年时间。在实际工作电压条件下为了缩短测试时间且有足够的失效统计数，基于JEP151建立的高能质子或中子束加速测试已建立，加速因子可达109。从而实现半小时完成一轮单次测试，相应的不同组合的系列测试也更加快捷。
加速测试中使用的人工辐射源的能谱是有限的或者仅有一种粒子。因此英飞凌基于JEP152且通过存储试测试以及加速测试二种方法以确保数据的一致性。
3 OBC的通用任务剖面（mission profile）
模型建立
准确的任务剖面文件对于评估高压半导体在恶劣的汽车应用环境中的稳定性至关重要。下文根据实际应用并设定某些条件介绍了OBC/HV-LV DC-DC转换器的通用任务剖面模型。
工作状态
当车辆在行驶状态，大部分车载电力电子设备都处于主动运行状态，包括HV-LV DC-DC。然而OBC的状态相反，仅在汽车停车，交流电源可用，且BMS系统允许充电时才工作。当然在V2L， V2G或者V2V反向的应用场景下，电池也会向车辆外部的设备提供能量。
表一展示电动汽车最重要的三种运行模式，并定义了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的运行状态




工作时间
基于上表，英飞凌基于15年汽车使用时间的设定，根据经验创建了一个运行时间模型来评估 OBC 和 HV-LV DC-DC 系统中功率半导体的故障率。如表二所示：




此表格的OBC工作时间是基于双向充电的OBC，在充电及车舱预处理模式下的运行时间高于单向OBC的运行时间。
温度模型
计算FIT率的另一个重要因素是高压功率半导体的结温，结温与车内的水冷系统耦合。表三展示了车辆状态的温度模型：




海拔模型
如前文所述，宇宙辐射引发故障的一个重要加速因子就是海拔，英飞凌基于全球人口的海拔分布制作了海拔模型，如表四所示：




系统模型
电气条件，环境条件越精准，FIT结果越是准确。对于OBC和HV-LV DC-DC我们只考虑高压器件，因为宇宙辐射对高压器件影响更严重。如图六中虚线框中所示：




图六 高压器件位置
1. DC-link母线电压模型：
母线电压主导PFC和DCDC原边。精确的建立长期母线电压模型至关重要。设置常态母线电压：
Vstess1.nor=400V
此外，假设过冲和异常情况下电压为额定击穿电压的80%：
Vstress1.os=520V
假设在 OBC 的整个工作时间内，每个开关周期都会出现一个持续时间为 50 ns 的矩形过冲电压。当然实际过冲电压取决于不同的参数，例如 PCB 布局、封装、负载和栅极驱动设置。过冲电压的简单矩形模型足以评估宇宙辐射的鲁棒性。
此外最恶劣的负载突变情况也要考虑，根据实际经验，也加入了方波电压：生命周期里发生3次，每次10s:
Vstress1.ld=550V
2. 高压电池包电压模型
电池电压取决于充电状态，图七是电池电压模型。此模型中已经包含了上述的过冲和异常情况下的瞬态电压。




图七 电池电压模型
假定90%的时间电池工作在满电压状态：
Vstress2=475V；9%的时间，Vlowsoc=440V；对于剩余 1% 的时间，假设电池已放电， Vdischg=250V。
3. 应用条件模型
在定义了 OBC 的电气应力条件后，还需要定义占空比和开关频率等应用参数，并在表五中进行了说明。
PFC 以连续导通模式 (CCM) 运行。PFC 的假定开关频率为 100 kHz。在交流输入半周期内，占空比在 3% 到 97% 之间变化。
对于 OBC 中的 DC-DC 级，假设全桥拓扑在最高频率 500 kHz ，占空比为 50%。对于 HV-LV DC-DC 模块，假设全桥拓扑，最大开关频率为 500 kHz，占空比为 50%，与 OBC 中的 DC-DC 级相同。




4 宇宙辐射评估结果示例
本章节展示基于前面的任务剖面等模型的宇宙辐射评估结果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A两代车规级CoolMOS为例：




图八 单个器件失效率
从单个器件角度的结果看出相比于老一代的CoolMOS， CFD7A系列具有更强的宇宙辐射鲁棒性。如果电池电压是475V， 这个特性就更为重要。老一代的CFDA系列适用于420V的电池电压。如果从系统角度来看FIT率，只需将FIT值与PFC， DCDC级用的器件数量相乘即可。在Totem pole PFC慢管以及OBC中DCDC级以CFD7A方案为例，从总FIT率来看，无需进一步的可靠性分析。




图九 系统级失效率
5 总结
随着新能源汽车的渗透率越来越高，尤其在中国地区，已达24%左右。车载OBC/DCDC的可靠性的重要性逐渐凸显。性能表现在实验室阶段会被容易呈现出来，但是大量产品在数年的可靠性不容易被感知同时却又很重要。在OBC/DCDC应用中，电压等级越来越高的情况下，宇宙辐射被提及的并不多，但是重要性不可忽视。
本文针对OBC/DCDC的具体应用，解释了失效机理以及系统级别的FIT率评估方法。可能实际应用的任务剖面模型与本文的通用模型有些许差别，英飞凌会为不同的任务剖面模型做出具体评估以保证系统级别的可靠性。
参考文献
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.
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