【導讀】汽車行業發展創新突飛猛進
，車載充電器（OBC）與DCDC轉換器（HV-LV DCDC）的應用因此也迅猛發展，同應對大多數工程挑戰一樣，設計人員把目光投向先進技術
，以期利用現代超結矽（Super Junction Si）技術以及碳化矽（SiC）技術來提供解決方案。在追求性能的同時，對於車載產品來說
，可靠性也是一個重要的話題。

在車載OBC/DCDC應ying用yong中zhong，高gao壓ya功gong率lv半ban導dao體ti器qi件jian用yong的de越yue來lai越yue多duo。對dui於yu汽qi車che級ji高gao壓ya半ban導dao體ti功gong率lv器qi件jian來lai說shuo，門men極ji氧yang化hua層ceng的de魯lu棒bang性xing和he宇yu宙zhou輻fu射she魯lu棒bang性xing是shi可ke靠kao性xing非fei常chang重zhong要yao的de兩liang點dian。

宇宙輻射很少被提及
，但事實是無論什麼技術的高壓功率半導體器件都會受輻射導致幾ns的瞬態失效，並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裏
，宇宙輻射的影響需要被認知並得到重視。

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係統可靠性的方法。

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器件由於材料硬度，帶隙，陷阱密度等的不同導致處理難度不同。盡管如此英飛淩在SiC方麵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(zhong)
，由(you)宇(yu)宙(zhou)輻(fu)射(she)引(yin)起(qi)的(de)失(shi)效(xiao)率(lv)隨(sui)入(ru)射(she)時(shi)器(qi)件(jian)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)電(dian)場(chang)呈(cheng)指(zhi)數(shu)級(ji)增(zeng)長(chang)。具(ju)有(you)相(xiang)似(si)電(dian)場(chang)的(de)器(qi)件(jian)失(shi)效(xiao)率(lv)也(ye)相(xiang)似(si)。在(zai)過(guo)去(qu)的(de)幾(ji)十(shi)年(nian)中(zhong)進(jin)行(xing)了(le)許(xu)多(duo)加(jia)速(su)試(shi)驗(yan)，這(zhe)些(xie)試(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，當(dang)施(shi)加(jia)的(de)電(dian)壓(ya)被(bei)歸(gui)一(yi)化(hua)為(wei)實(shi)際(ji)雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)時(shi)，由(you)宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)誘(you)發(fa)的(de)失(shi)效(xiao)率(lv)相(xiang)似(si)。就(jiu)宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)導(dao)致(zhi)的(de)基(ji)本(ben)失(shi)效(xiao)機(ji)製(zhi)及(ji)其(qi)與(yu)運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)的(de)關(guan)係(xi)而(er)言(yan)


，Si技術與SiC 技(ji)術(shu)之(zhi)間(jian)隻(zhi)有(you)相(xiang)當(dang)細(xi)微(wei)的(de)差(cha)異(yi)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，垂(chui)直(zhi)型(xing)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)設(she)計(ji)更(geng)高(gao)的(de)雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)更(geng)大(da)的(de)厚(hou)度(du)和(he)更(geng)低(di)的(de)漂(piao)移(yi)層(ceng)或(huo)基(ji)底(di)層(ceng)摻(chan)雜(za)來(lai)實(shi)現(xian)更(geng)強(qiang)的(de)抗(kang)宇(yu)宙(zhou)輻(fu)射(she)能(neng)力(li)。

圖一 FIT率的主要因素

什麼是宇宙輻射

tongchangmiaoshuyidingshuliangqijiandeshouminghuiyongyupenquxianbiaoshi。fenweizaoqishixiaoqi，ouranshixiaoqiyijisunhaoshixiaoqi。zaoqishixiaoqikeyitongguozaoqideceshishaixuan。duiyushejihaodeqijian，sunhaoshixiaoqizhifashengzaiguigeshuyiwaideshijianduan。ouranshixiaoqishichanpinshiyongzhouqineifashengshixiaodezhuyaokaolvyinsu。yuzhoufusheduigaoyagonglvqijiandeshixiaoyingxiangjiushuyuzheyileibie。

宇宙輻射造成的單粒子燒毀（SEBs）是高壓MOSFETsouranshixiaodeyinsu，suiranshixiaoshiourande，danshikeyitongguolejieyingyongtiaojianlaiyucepinggushixiaolv。benwenhuijieshaodanlizishaohuishijianyijiyuceyuzhoufushedaozhidegaoyaMOSFETs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。少數情況下，可測得的粒子能量高達1020 eV。由於大氣層的存在
，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(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，這(zhe)些(xie)二(er)級(ji)粒(li)子(zi)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)能(neng)量(liang)在(zai)隨(sui)後(hou)的(de)碰(peng)撞(zhuang)中(zhong)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)的(de)粒(li)子(zi)，發(fa)生(sheng)雪(xue)崩(beng)倍(bei)增(zeng)。但(dan)同(tong)時(shi)
，由(you)於(yu)大(da)氣(qi)層(ceng)的(de)吸(xi)收(shou)會(hui)讓(rang)粒(li)子(zi)密(mi)度(du)降(jiang)低(di)。如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)：

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麵時，與致密物質發生交互。對於高壓MOSFETs來說，意味著有一定的機率在阻斷區域被轟擊。粒子通常以幾百MeV(100MeV≈16pJ)denenglianghongjiqijian，zaijihaomijulilichanshengdianzikongxuedui。congnengpuchengfenfenxi，zhongzishiweiyiyizhongshuliangduoqienengbanengliangjizhongdaoyidiandelizi，bingchanshengshaohui，chengzhiweidanlizishaohui（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下的p-n節電場分布：

圖四（a）未侵入瞬間的電場分布

當中子與MOSFETs的Si/SiCyuanzihepengzhuangshichanshengfanchonglizi，lizidedongnenghuiyinfazaijihaomifanweineichanshengxiaofanweidianhebaozha。zaiguanduanzhuangtaixia，zhexiedianhezailiudenglizitijiangqineibuyudianchangpingbi。zaidengliziqubianyuan
，gaofengzhidianchangqiangdujianli。zaixiangyingpengzhuangchanshengdelizihuaguochengzhong，fengzhidianchangzhujiankuoda，congerkuozhanleliziqu（Plasma zone）範圍。

這種自持式的過程稱之為“streamer”
，等離子區的擴展最終會使得Drain與Source電氣短路，短路的發熱會使Si融化，最終使MOSFETs結構被破壞
，從而失效。

圖四（b）入侵後的電場分布

由於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裏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: 測試總小時數

圖五是兩代汽車級CoolMOS FIT率與電壓關係的示意圖，以便於更容易理解：

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麵積下，25℃且0海拔的條件下定義的，從定義中看出FIT跟以下條件是有關係的：

關斷電壓：上文提到宇宙輻射失效機製是在關斷條件下發生的，因此關斷電壓跟失效率有很大的關係，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級別關係，3000米FIT比海平麵高一個數量級。

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℃低一個數量級。

芯片麵積：失效率跟芯片麵積呈線性關係

，麵積越大，中子轟擊的幾率也越大。

開通關斷狀態：FIT跟關斷時間成線性關係

如何測量輻射失效率

1.   自然輻射環境下的測量

最簡單的方式是存儲試驗
，在給定的偏置電壓下對一定數量的器件進行輻射測量，直至失效發生
，在不同變量，例如Vds， 溫度下進行組合測試。

這種測試方法隻適用於在極限電壓附近的失效率。不適用於實際工作電壓與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，以避免數年的長時間或者大量的樣本數量。

2.   加速測試

在(zai)高(gao)海(hai)拔(ba)處(chu)
，輻(fu)射(she)密(mi)度(du)會(hui)增(zeng)加(jia)，因(yin)此(ci)高(gao)海(hai)拔(ba)地(di)區(qu)測(ce)試(shi)可(ke)視(shi)為(wei)加(jia)速(su)測(ce)試(shi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)的(de)優(you)勢(shi)是(shi)可(ke)以(yi)反(fan)應(ying)實(shi)際(ji)輻(fu)射(she)狀(zhuang)態(tai)，例(li)如(ru)有(you)些(xie)機(ji)構(gou)會(hui)在(zai)海(hai)拔(ba)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

，並且加速因子幾乎不超過 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，失效率跟Vds呈指數關係，典型應用電壓通常低於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個器件裏發生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計數
，基於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。從而實現半小時完成一輪單次測試，相應的不同組合的係列測試也更加快捷。

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。因此英飛淩基於JEP152且通過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的通用任務剖麵（mission profile）

模型建立

準確的任務剖麵文件對於評估高壓半導體在惡劣的汽車應用環境中的穩定性至關重要。下文根據實際應用並設定某些條件介紹了OBC/HV-LV DC-DC轉換器的通用任務剖麵模型。

工作狀態

當車輛在行駛狀態，大部分車載電力電子設備都處於主動運行狀態，包括HV-LV DC-DC。然而OBC的狀態相反，僅在汽車停車，交流電源可用
，且BMS係統允許充電時才工作。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，並定義了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的運行狀態

工作時間

基於上表
，英飛淩基於15年汽車使用時間的設定
，根據經驗創建了一個運行時間模型來評估 OBC 和 HV-LV DC-DC 係統中功率半導體的故障率。如表二所示：

此表格的OBC工作時間是基於雙向充電的OBC，在充電及車艙預處理模式下的運行時間高於單向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，結溫與車內的水冷係統耦合。表三展示了車輛狀態的溫度模型：

海拔模型

如前文所述
，宇宙輻射引發故障的一個重要加速因子就是海拔，英飛淩基於全球人口的海拔分布製作了海拔模型，如表四所示：

係統模型

電氣條件，環境條件越精準，FIT結果越是準確。對於OBC和HV-LV DC-DC我們隻考慮高壓器件
，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。設置常態母線電壓：

Vstess1.nor=400V

此外，假設過衝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一個持續時間為 50 ns 的矩形過衝電壓。當然實際過衝電壓取決於不同的參數，例如 PCB 布局、封裝、負載和柵極驅動設置。過衝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，根據實際經驗，也加入了方波電壓：生命周期裏發生3次，每次10s:

Vstress1.ld=550V

2. 高壓電池包電壓模型

電池電壓取決於充電狀態
，圖七是電池電壓模型。此模型中已經包含了上述的過衝和異常情況下的瞬態電壓。

圖七 電池電壓模型

假定90%的時間電池工作在滿電壓狀態：

Vstress2=475V；9%的時間
，Vlowsoc=440V；對於剩餘 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 的電氣應力條件後，還需要定義占空比和開關頻率等應用參數，並在表五中進行了說明。

PFC 以連續導通模式 (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。

對於 OBC 中的 DC-DC 級，假設全橋拓撲在最高頻率 500 kHz ，占空比為 50%。對於 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

本章節展示基於前麵的任務剖麵等模型的宇宙輻射評估結果。以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A兩代車規級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於老一代的CoolMOS
， CFD7A係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係列適用於420V的電池電壓。如果從係統角度來看FIT率，隻需將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率來看，無需進一步的可靠性分析。

圖九 係統級失效率

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

，已達24%左右。車載OBC/DCDC的de可ke靠kao性xing的de重zhong要yao性xing逐zhu漸jian凸tu顯xian。性xing能neng表biao現xian在zai實shi驗yan室shi階jie段duan會hui被bei容rong易yi呈cheng現xian出chu來lai
，但dan是shi大da量liang產chan品pin在zai數shu年nian的de可ke靠kao性xing不bu容rong易yi被bei感gan知zhi同tong時shi卻que又you很hen重zhong要yao。在zaiOBC/DCDC應用中，電壓等級越來越高的情況下，宇宙輻射被提及的並不多
，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係統級別的FIT率lv評ping估gu方fang法fa。可ke能neng實shi際ji應ying用yong的de任ren務wu剖pou麵mian模mo型xing與yu本ben文wen的de通tong用yong模mo型xing有you些xie許xu差cha別bie，英ying飛fei淩ling會hui為wei不bu同tong的de任ren務wu剖pou麵mian模mo型xing做zuo出chu具ju體ti評ping估gu以yi保bao證zheng係xi統tong級ji別bie的de可ke靠kao性xing。

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.

來源：Infineon

作者：李劭陽

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