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摘要：本文推荐了在车载OBC,高压微信群发助手在哪里面转电压DCDC利用中宇宙辐射对高压功率半导体器件可靠性的作用，估价要害词： OBC；DCDC；宇宙辐射；FIT引言：车子产业进行创新突飞猛进，车载充电器（OBC）与DCDC转换器（HV-LV DC-D微信群发助手在哪里面C）的利用因而也迅猛进行，同应对许多数工程挑战一样，设置人士把眼光投向领先进步技艺，以期应用现代超结硅（Super Junction Si）技艺以及碳化硅（SiC）技艺来提供解决方案。

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在追求功能的同一时间，关于车载产物来讲，可靠性也是一种要紧的话题在车载OBC/DCDC利用中，高压功率半导体器件用的越来越多关于车子级高压半导体功率器件来讲，门极氧化层的鲁棒性和宇宙辐射鲁棒微信群发助手在哪里面性是可靠性十分要紧的两点。

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宇宙辐射很少被说起，但实是是不论甚么技艺的高压功率半导体器件都会受辐射导致几ns的瞬态失效，而且不容易定位到是宇宙辐射的原因众多功率半导体利用请求单微信群发助手在哪里面一器件失效能在1-100FIT甚而更低，因而在高压车子利用里，宇宙辐射的作用须要被认知并获得重视。

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因而本文将针对双向OBC/DCDC这种利用，阐述宇宙辐射的作用以及估价体系微信群发助手在哪里面可靠性的方法一、宇宙辐射对可靠性作用机理1.  车子级高压器件可靠性的最重要的要素车子级高压（650V以上）器件的FIT率最重要的受门级氧化层鲁棒性和宇宙辐射鲁棒性作用。

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门微信群发助手在哪里面极氧化层的料理，SiC器件与Si器件源于资料硬度，带隙，陷阱密度等的不同导致料理难度不同虽然如许英飞凌在SiC方面做出了好多的努力与探讨让得门极氧化层鲁棒性曾经达到了很高的水准在SiC和Si中，由宇宙微信群发助手在哪里面辐射引起的失效能随入射时器件中存留的电场呈指标数据级增添。

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具备类似电场的器件失效能也类似在往日的几十年中发展了众多提速试验，这点试验表达，当施加的电压被归一化为实质雪微信群发助手在哪里面崩击穿电压时，由宇宙射线诱发的失效能类似就宇宙射线导致的根本失效体制及其与运转要求的关连而言，Si技艺与SiC 技艺之中唯有差不多细小的差异。

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通常而言，垂直型功率器件可行设置更微信群发助手在哪里面高的雪崩击穿电压，从而可行经过很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1：FIT率的最重要的要素2．甚么是宇宙辐射平常描画必定数量器件的生命会用浴盆曲线显示。

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分为早期失效期，偶然失效期以及损失失效期早期失效期可行经过早期的测试筛选关于设置没有问题器件，损失失效期只产生在规格书以外的时间段偶然失效期是产物运用周期内产生失效的最重要的考量要素宇宙辐射对微信群发助手在哪里面高压功率器件的失效作用就隶属这一类型。

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宇宙辐射形成的单粒子烧毁（SEBs）是高压MOSFETs偶然失效的要素，尽管失效是偶然的，可是可行经过理解利用要求来预测估价失微信群发助手在哪里面效能本文会推荐单粒子烧毁时间以及预测宇宙辐射导致的高压MOSFETs失效能的根本形式。

图2：浴盆曲线宇宙辐射经过高能粒子轰击地球，以质子，重核为主少数概况下，可测得的粒子能量多达eV源于大度层的存留，微信群发助手在哪里面这点粒子与外大度层的原子核磕碰，发生了二级粒子，这点二级粒子承载了原粒子的能量通常来讲，这点二级粒子有充足的能量在随后的磕碰中发生更多的粒子，产生雪崩倍增。

但同一时间，源于大度层的消化会让粒子密度下降微信群发助手在哪里面如是图所示：图3：二级粒子的发生3．宇宙辐射对功率半导体的作用当二级粒子到达地球外表时，与致密物质产生交互关于高压MOSFETs来讲，意指着有必定的机率在阻断地域被轰击。

粒子平常以几百MeV(100M微信群发助手在哪里面eV≈16pJ)的能量轰击器件，在几mm距离里发生电子空穴对从能谱成分剖析，中子是独一一个数量多且能把能量聚集到一丝的粒子，并发生烧毁，称之为单粒子烧毁（SEBs）因而中子是最有害的成分。

容易解释下单微信群发助手在哪里面粒子烧毁（SEBs）失效机理：图4(1)是在中子尚未侵入刹那反偏状况下的p-n节电场分布：图4（1）：未侵入刹那的电场分布中间子与MOSFETs的Si/SiC原子核磕碰时发生反冲离子，离子的动能会激发微信群发助手在哪里面在几mm范畴内发生小范畴电荷爆炸。

在关断状况下，这点电荷载流等离子体将其里面与电场屏蔽在等离子区边缘，高峰值电场强度构建在相应磕碰发生的离子化进程中，峰值电场渐渐扩大，从而扩展了离子区（Plasma 微信群发助手在哪里面zone）范畴这类自持式的进程称之为“streamer”，等离子区的扩展终归会让得Drain与Source电气短路，短路的发热会使Si融化，终归使MOSFETs构造被破坏，从而失效。

图4（2）：入侵后微信群发助手在哪里面的电场分布源于失效机理是由磕碰电离进程导致的，在MOSFETs导通形式下，也便是说无高强度电场形式下是不会产生的，是以在估价失效能时，导通形式不用被考量二、FIT率1.  定义一种器件的FIT（fai微信群发助手在哪里面lures in time）值是指10亿个器件在必定时间里运转失效器件的数量。

例如1FIT/器件公式如是：N: 测试器件总数量F: 失效器件总数量T: 测试总小时数图5是两代车子级CoolMOS FI微信群发助手在哪里面T率与电压关连的示意图，以便于更简单了解：图5：两代车子级的FIT率对照2．作用要素

FIT率曲线平常是在单位面积下，25℃且0海拔的要求下定义的，从定义中瞧出FIT跟之下要求是相关系的：关断电压：上文微信群发助手在哪里面提到宇宙辐射失效体制是在关断要求发放生的，因而关断电压跟失效能有相当大的关连，从图5中也可行瞧出来。

海拔：高海拔的离子密度越高，海波与失效能呈指标数据等级关连，3000米FIT比海平面高一种数量级结温微信群发助手在哪里面：温度与失效能呈反向特性，温度越高，失效能越低，125℃要求下的失效能比25℃低一种数量级芯片面积：失效能跟芯片面积呈线性关连，面积越大，中子轰击的概率也越大。

开通关断状况：FIT跟关断时间成线性关连微信群发助手在哪里面3．如何测量辐射失效能·       当然辐射环境下的测量最容易的形式是存储试验，在给定的偏置电压下对必定数量的器件发展辐射测量，直至失效产生，在不同变量，比如Vds， 温度下发展组合测试。

这类测试方微信群发助手在哪里面法只适用于在极限电压周边的失效能不适用于实质事业电压与V(BR)DSS偏差大的要求针对这类概况就须要相对低电压概况下的提速测试，须要人力辐射源提速，以幸免数年的长时间或许大批的样本数量·       微信群发助手在哪里面提速测试

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在高海拔处，辐射密度会增添，因而高海拔地域测试可见为提速测试，这类形式的优势是可行反映实质辐射状况，比如有些机构会在海拔2962米的德国祖格峰测试点测试，这类方法的缺点是相微信群发助手在哪里面对难以挨近，而且提速因子差不多不超越 10。

为了确保测量结果有必定的统算可信度，须要等候大约 10 次失效， 依据前文所说，失效能跟Vds呈指标数据关连，典范利用电压平常低于V(BR)DSS， 比如在微信群发助手在哪里面520V母线电压下的650V CoolMOS， 假设10FIT/器件，那就意指着在1000个器件里产生1个失效须要10年时间。

在实质事业电压要求下为了缩小测试时间且有充足的失效统算数，鉴于JEP151微信群发助手在哪里面构建的高能质子或中子束提速测试已构建，提速因子可达109从而实现半小时达成一轮单次测试，相应的不同组合的系列测试也愈加快速便捷提速测试中运用的人力辐射源的能谱是局限的或许仅有一个粒子。

因而英飞凌鉴于J微信群发助手在哪里面EP152且经过存储试测试以及提速测试二种方法以保证数据的绝对性三、OBC的通用任务剖面（mission profile）模子构建明确的任务剖面文献关于估价高压半导体在恶劣的车子利用环境中的稳固性至关微信群发助手在哪里面要紧。

下文依据实质利用并设定某些要求推荐了OBC/HV-LV DC-DC转换器的通用任务剖面模子1．事业状况当机动车在行进状况，多数车载电力电子设施都处于主动运转状况，包括HV-LV DC-DC 然则微信群发助手在哪里面OBC的状况相反，仅在车子泊车，交流电源可用，且BMS体系应允充电时才事业。

自然在V2L， V2G或许V2V反向的利用情景下，电池也会向机动车外部的设施提供能量表一展现电动车子最要紧的三种运转形式，并微信群发助手在哪里面定义了 HV-LV DC-DC 和 OBC 的运转状况2．事业时间鉴于上表，英飞凌鉴于15年车子运用时间的设定，依据经历组建了一种运转时间模子来估价 OBC 和 HV-LV DC-DC 体系中功率半导微信群发助手在哪里面体的故障率。

如表二所示：此表格的OBC事业时间是鉴于双向充电的OBC，在充电及车舱预料理形式下的运转时间超出单向OBC的运转时间3．温度模子计算FIT率的另一种要紧要素是高压功率半导体的结温，结温与汽微信群发助手在哪里面车内部的水冷体系耦合。

表三展现了机动车状况的温度模子：4．海拔模子如前文所述，宇宙辐射激发故障的一种要紧提速因子便是海拔，英飞凌鉴于全世界人数的海拔分布制作了海拔模子，如表四所示：5．体系模子电气要求微信群发助手在哪里面，环境要求越精确，FIT结果越是明确。

关于OBC和HV-LV DC-DC咱们只考量高压器件，由于宇宙辐射对高压器件作用更惨重如图6中虚线框中所示：图6：高压器件位子·       DC-link母线电微信群发助手在哪里面压模子：母线电压主导PFC和DCDC原边。

精准的构建长久母线电压模子至关要紧设计常态母线电压：Vstess1.nor=400V另外，假设过冲和反常概况下电压为额定击穿电压的80%：Vstress1.o微信群发助手在哪里面s=520V假设在 OBC 的全个事业时间内，每个开关周期都会显露一种持续时间为 50 ns 的矩形过冲电压。

自然实质过冲电压取决于不同的参数，比如 PCB 布置、封装、负载和栅极驱动设计过冲电压的容微信群发助手在哪里面易矩形模子足以估价宇宙辐射的鲁棒性另外最恶劣的负载突变概况也要考量，依据实质经历，也加入了方波电压：寿命周期里产生3次，每一次10s:

Vstress1.ld=550V·       高压电池包电压模子微信群发助手在哪里面电池电压取决于充电状况，图7是电池电压模子此模子中曾经包涵了上述的过冲和反常概况下的瞬态电压图7：电池电压模子假定90%的时间电池事业在满电压状况：。

Vstress2=475V；9%的时间，Vlows微信群发助手在哪里面oc=440V；关于剩余 1% 的时间，假设电池已放电， Vdischg=250V·       利用要求模子在定义了 OBC 的电气应力要求后，还须要定义占空比和开关频次等利用参数，并在表五中发展了微信群发助手在哪里面讲明。

PFC 以延续导通形式 (CCM) 运转 PFC 的假定开关频次为 100 kHz 在交流输入半周期内，占空比在 3% 到 97% 之中浮动关于 OBC 中的 DC-DC 级，假设全桥拓扑在最高微信群发助手在哪里面频次 500 kHz ，占空比为 50%。

关于 HV-LV DC-DC 模块，假设全桥拓扑，第一大开关频次为 500 kHz，占空比为 50%，与 OBC 中的 DC-DC 级相同四、宇宙辐射估价结果微信群发助手在哪里面示例本章节展现鉴于前面的任务剖面等模子的宇宙辐射估价结果。

以IPW65R048CFDA和IPW65R022CFD7A两代车规级CoolMOS为例：图8：单个器件失效能从单个器件方位的结果瞧出比较于老一微信群发助手在哪里面代的CoolMOS， CFD7A系列具备更强的宇宙辐射鲁棒性。

假如电池电压是475V， 这种特性就更为要紧老一代的CFDA系列适用于420V的电池电压假如从体系方位来看FIT率，只要将FIT值与PFC微信群发助手在哪里面， 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，没有需进一步的可靠性剖析。

图9：体系级失效能五、总结随着新燃料车子的渗微信群发助手在哪里面透率越来越高，尤其在华夏地域，已达24%左右车载OBC/DCDC的可靠性的要紧性渐渐凸显功能体现在实验室阶段会被简单表现出去，可是大批产物在数年的可靠性很难被感知同一时间却又很要紧。

在OBC/DCDC微信群发助手在哪里面利用中，电压级别越来越高的概况下，宇宙辐射被说起的其实不多，可是要紧性不可忽视本文针对OBC/DCDC的详细利用，解释了失效机理以及体系等级的FIT率估价方法可能实质利用的任务剖面模子与本文的通用模子微信群发助手在哪里面有些许差别，英飞凌会为不同的任务剖面模子做出示体估价以确保体系等级的可靠性。

参考文件1.     Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_Cosmic_Radiation_Asse微信群发助手在哪里面ssment-ApplicationNotes-v01_00-EN2.     Infineon-MOSFET_CoolMOS_CFD7A_650V-ApplicationNotes-v02_00-E微信群发助手在哪里面N

3.     Infineon-Reliability_of_SiC_power_semiconductors-Whitepaper-v01_02-EN4.     SystemPlus_GaN_o微信群发助手在哪里面n_Si_HEMT_vs_SJ_MOSFET_Technology_and_Cost_comparison

5.     Infineon-Physics of Cosmic Radiation-ind微信群发助手在哪里面uced Failures in High Voltage Power Devices（本文作者：英飞凌半导体（深圳）局限企业现场利用工程师 李劭阳）

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