【干貨】技術(shù)角度看特斯拉批量召回可能原因分析--隱蔽的碳化硅MOSFET柵極諧振問(wèn)題

Tesla Model 3 批量召回可能原因分析

— 隱蔽的碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)中的柵極諧振問(wèn)題

徐賀、朱楠、鄭福軍、朱安康、羅皓澤

引言

最近特斯拉因后驅逆變器故障召回國內超過(guò)12.5萬(wàn)輛Model 3 電動(dòng)汽車(chē)。眾所周知，特斯拉在其Model 3 的后驅上大部分采用了碳化硅MOSFET(屬于行業(yè)內第一家)。如今國內各大主機廠(chǎng)也都在緊鑼密鼓的推出碳化硅的400V和800V平臺的車(chē)型。這次召回事件必然會(huì )給各大主機廠(chǎng)及從業(yè)人員帶來(lái)較多猜測和質(zhì)疑，鑒于此，本文做一些原因分析，供業(yè)內同行討論。

根據特斯拉官方說(shuō)法，本次召回的根本原因是“后電機逆變器功率半導體元件可能存在微小的制造差異，其中部分車(chē)輛使用一段時(shí)間后元件制造差異可能會(huì )導致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏鳌?/span>。

圖1. Tesla官網(wǎng)發(fā)布的召回/更新公告[1]

筆者認為可能的原因以下幾條：

聲明：僅作為有限信息下的初步分析，引發(fā)功率半導體失效的原因多種多樣。筆者不否認任何其他可能原因。

特斯拉后驅逆變器采用了四個(gè)分立的單管模塊并聯(lián)（每個(gè)單管模塊內置2顆芯片），筆者認為第三個(gè)原因可能性偏大：由于碳化硅MOSFET制造工藝等原因可能會(huì )造成參與并聯(lián)的碳化硅器件的體二極管反向恢復特性的差異，這種反向恢復特性差異如果較大的話(huà)會(huì )導致對管并聯(lián)MOSFET柵極電壓的高頻諧振（會(huì )超出柵極額定耐壓），從而引發(fā)碳化硅MOSFET柵極氧化層的老化衰減，直至擊穿柵極氧化層產(chǎn)生破壞性失效。這個(gè)猜測即便不成立，相信對于各位從事碳化硅電驅行業(yè)的同仁們或多或少有一些借鑒意義，也非常歡迎各位行業(yè)大牛、技術(shù)愛(ài)好者蒞臨致瞻科技和我們共同探討。

SiC MOSFET體二極管特性差異

及柵極氧化層問(wèn)題

1.1 SiC MOSFET體二極管特性差異機理分析

由于通態(tài)下基區存儲的載流子不會(huì )立即消失，在逆變器的橋臂換流的死區時(shí)間段的模態(tài)內，SiC MOSFET體二極管關(guān)斷過(guò)程將出現反向恢復現象。反向恢復時(shí)間和電荷量主要受器件內部載流子壽命決定。不同載流子壽命下的反向恢復過(guò)程電流波形如下圖所示，載流子壽命越長(cháng)，反向恢復時(shí)間越長(cháng)，反向恢復電流峰值越大，反向恢復電荷量越多。

圖2. 體二極管通態(tài)電流密度分布及不同載流子壽命下

反向恢復過(guò)程電流波形

相比較于硅基器件，SiC MOSFET生產(chǎn)過(guò)程會(huì )經(jīng)歷多次離子注入及退火工藝，一方面，碳化硅材料硬度比較大，表面應力較大，易造成離子注入過(guò)程注入角度一致性差，從而導致器件內部摻雜濃度存在差異，從而影響器件內部載流子壽命。另一方面，離子注入過(guò)程高能粒子轟擊在基體材料中產(chǎn)生大量缺陷，且離子注入后需在高溫（1600~1700℃）下進(jìn)行退火以修復晶格并達到高的電激活率^[4]，退火過(guò)程同樣會(huì )在材料內部產(chǎn)生大量的缺陷中心，離子注入和退火過(guò)程產(chǎn)生缺陷中心的差異會(huì )制約器件載流子壽命的一致性。

除此之外，碳化硅體二極管的反向恢復特性和其承載的電流大小直接相關(guān)，在并聯(lián)不均流的情形下，體二極管的反向恢復特性差異也會(huì )比較大。

綜上所述，碳化硅MOSFET體二極管載流子壽命受生產(chǎn)工藝過(guò)程制約，相比硅基器件，碳化硅MOSFET參數一致性更難保證，導致體二極管反向恢復過(guò)程可能存在差異。另外，并聯(lián)碳化硅器件體二極管的不均流會(huì )加劇體二極管的反向恢復特性差異。

1.2 碳化硅柵極氧化層老化失效機理分析

SiC MOSFET的柵氧可靠性問(wèn)題是制約其快速發(fā)展的因素之一，影響其柵氧可靠性的因素如下：一方面，相對于Si基器件，SiC基器件柵氧界面處較低的勢壘高度使溝道中的載流子更容易穿過(guò)勢壘來(lái)到氧化層中，使SiC MOSFET的結構更易受到F-N隧穿電流的影響。隧穿載流子在電應力和熱應力的作用下不斷加速，在運動(dòng)過(guò)程中與晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的陷阱，從而導致氧化物缺陷，導致柵極漏電流增大，在柵極氧化層內引起電介質(zhì)擊穿。另一方面，SiC基器件在氧化過(guò)程中會(huì )在SiC/SiO2的界面處帶來(lái)較高的界面態(tài)密度，高密度的界面態(tài)會(huì )影響SiC MOSFET 器件的性能和可靠性。界面態(tài)電荷陷阱在器件開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程中俘獲和釋放載流子，使得SiC MOSFET的閾值電壓發(fā)生漂移，對SiC MOSFET 的導通電阻和開(kāi)關(guān)特性造成影響；界面態(tài)電荷陷阱增大SiC MOSFET在高電場(chǎng)下的隧穿電流，增大柵極漏電流，從而擊穿柵氧介質(zhì)導致器件失效。

下圖為不同柵極電壓應力下器件壽命曲線(xiàn)，柵極電壓越高，器件壽命越短。因此碳化硅MOSFET柵極氧化層在高電壓情況下會(huì )產(chǎn)生性能退化、壽命急劇衰減直至擊穿失效，應避免實(shí)際應用中柵極過(guò)電壓的出現。

圖3. 不同器件不同柵極電壓應力下柵氧層壽命 [5]

體二極管特性不一致引發(fā)的

柵極諧振機理分析

碳化硅器件在并聯(lián)應用時(shí)的均流問(wèn)題，應該是設計碳化硅功率變換器時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。MOSFET作為一種可控器件，相信通過(guò)功率回路的均衡布局設計，以及有源或無(wú)源的驅動(dòng)均流設計，可以很好地解決碳化硅MOSFET并聯(lián)應用時(shí)關(guān)斷過(guò)程中的均流問(wèn)題。但是，由于MOSFET體二極管反向恢復過(guò)程很難控制，在MOSFET并聯(lián)應用時(shí)的開(kāi)通過(guò)程中，如果體二極管反向恢復特性不一致，往往會(huì )導致嚴重的并聯(lián)柵極振蕩問(wèn)題。

如下圖所示，兩只碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)使用，在關(guān)斷瞬間，兩只模塊的均流特性很好，電流波形基本重合。但是到了開(kāi)通瞬間，卻出現了嚴重的振蕩現象。

圖4. 碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)開(kāi)關(guān)時(shí)刻波形

（開(kāi)通時(shí)刻發(fā)生嚴重的柵極振蕩現象）

再來(lái)看兩只半橋碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)開(kāi)通過(guò)程的細節波形，如下圖所示。從波形上可見(jiàn)，兩只參與續流的體二極管電流為Irr1和Irr2，由于其導通電流有明顯差異以及反向恢復特性一致性較差，造成在MOSFET開(kāi)通、其對管器件體二極管反向恢復過(guò)程中，Irr1和Irr2的瞬態(tài)變化率di/dt，產(chǎn)生了明顯的差異，而與此同時(shí)，MOSFET的柵極電壓上也出現了明顯的振蕩。這樣的柵極振蕩電壓，很可能超出器件的柵極電壓SOA，碳化硅MOSFET柵氧層在長(cháng)期的過(guò)應力下，逐漸退化，最終導致失效。

圖5. 碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)開(kāi)通過(guò)程中的柵極振蕩波形

下面我們分析一下這種柵極振蕩產(chǎn)生的機理。首先，畫(huà)出兩只半橋碳化硅MOSFET并聯(lián)時(shí)的寄生參數模型，其中上管處于開(kāi)通過(guò)程，下管處于MOSFET關(guān)斷體二極管續流的狀態(tài)，如下圖所示。圖中，Lg、Lss分別為驅動(dòng)回路的柵極寄生電感和源極寄生電感，Ld、Ls分別為功率回路的漏極和源極寄生電感，Lac為半橋模塊交流輸出端的寄生電感。

圖6. 兩只半橋碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)時(shí)的寄生參數簡(jiǎn)化模型

在下管體二極管反向恢復過(guò)程中，將上述的模型簡(jiǎn)化為瞬態(tài)小信號寄生參數模型，如下圖所示。其中，下管體二極管的反向恢復電流等效為兩個(gè)di/dt差異較大的電流源，上管MOSFET此時(shí)還沒(méi)有完全開(kāi)通，DS間仍然在承受電壓，因此等效為寄生電容。

圖7. 兩只半橋碳化硅MOSFET并聯(lián)時(shí)的簡(jiǎn)化寄生參數模型

由前面的測試波形可見(jiàn)，碳化硅MOSFET體二極管特性不一致，會(huì )導致反向恢復電流di/dt的明顯差異，這樣瞬態(tài)電流差異作為激勵源，在上圖所示的寄生參數網(wǎng)絡(luò )中產(chǎn)生諧振。特別是當半橋模塊的交流輸出端寄生電感Lac1、Lac2較大時(shí)，在Lac1、Lac2兩端會(huì )產(chǎn)生較大的振蕩電壓，進(jìn)一步造成驅動(dòng)回路的源極寄生電感Lss1、Lss2上也產(chǎn)生振蕩電壓，最終反映為MOSFET柵極電壓出現振蕩。

那么是不是功率模塊內部的芯片并聯(lián)，或者用單管并聯(lián)時(shí)，也容易出現同樣的柵極諧振問(wèn)題呢？

從前面的諧振網(wǎng)絡(luò )分析中可以發(fā)現，如果半橋的交流輸出端寄生電感Lac很小，則下管體二極管的反向恢復電流激勵源就不會(huì )在上管的柵極上產(chǎn)生明顯的振蕩。如下圖所示，交流輸出端寄生電感Lac很小時(shí)，近似為短路，則激勵源不會(huì )對上管的柵極回路產(chǎn)生明顯影響，柵極振蕩的風(fēng)險就會(huì )極大減小。

圖8. 交流輸出端寄生電感較小時(shí)的寄生參數模型

在功率模塊內部，上管并聯(lián)芯片的源極可以通過(guò)很短的鍵合線(xiàn)先統一鍵合至匯流DBC銅層上; 在單管并聯(lián)時(shí)，上管并聯(lián)器件的源極通過(guò)很短的引腳連接到大面積的PCB銅箔或母排上。而大面積的DBC銅層、PCB銅層或母排自身的寄生電感較小，可認為交流輸出端的Lac1和Lac2接近0nH的情況。因此，在功率模塊內部的芯片并聯(lián)，以及單管并聯(lián)時(shí)，近似于上述分析的后一種情況，一般不容易產(chǎn)生柵極諧振問(wèn)題。

但是，在功率模塊級別的并聯(lián)應用中，由于模塊結構和電路結構的限制，交流輸出端寄生電感往往比較大，兩只碳化硅半橋模塊的并聯(lián)結構中，交流輸出端寄生電感Lac包含模塊內部鍵合線(xiàn)、DBC和功率端子的寄生電感，以及模塊外部銅排的寄生電感，很容易達到20~40nH，因此當并聯(lián)器件的體二極管特性差異較大時(shí)，會(huì )在并聯(lián)器件的柵極上產(chǎn)生明顯的振蕩。

解決柵極諧振的可能方案

1. 對碳化硅器件進(jìn)行體二極管一致性篩選

碳化硅半橋模塊并聯(lián)應用中，根據上述的分析，需要特別關(guān)注體二極管的導通特性和反向恢復特性的一致性。而這一點(diǎn)在器件一致性篩查的時(shí)候容易被忽略。當體二極管一致性較差時(shí)，開(kāi)通時(shí)的柵極諧振嚴重; 器件初步篩選后，柵極諧振變小，但仍沒(méi)有完全消除。

(a) 并聯(lián)器件體二極管特性一致性較差時(shí)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)測試波形

(b) 并聯(lián)器件體二極管特性一致性較好時(shí)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)測試波形

圖9. 不同體二極管特性造成的柵極諧振現象

2. 交流輸出端設計優(yōu)化

并聯(lián)柵極諧振問(wèn)題是由不對稱(chēng)的di/dt在交流輸出端寄生電感上產(chǎn)生壓降引起的，在無(wú)法消除不對稱(chēng)的電流變化時(shí)，通過(guò)前述分析，盡可能減小交流輸出端寄生電感Lac1和Lac2，類(lèi)似于功率模塊內部芯片并聯(lián)或單管并聯(lián)的情形，可以降低柵極振蕩的風(fēng)險。下圖展示了在碳化硅功率器件體二極管特性不同時(shí)，交流輸出端寄生電感分別為20nH和2nH情況下的對比仿真波形。

（a）Lac1=Lac2=20nH　　　　?。╞）Lac1=Lac2=2nH

圖10. 不同Lac情況下開(kāi)通瞬間柵極波形仿真對比

3. 柵極振蕩無(wú)源抑制

在無(wú)法從根源上解決柵極振蕩問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)增加無(wú)源元件的手段盡可能抑制柵極電壓諧振，降低對柵極的過(guò)應力損傷，筆者提出以下兩種方案。

1）磁珠抑制方案：

利用磁珠在高頻高阻、低頻低阻的特性，增加柵極驅動(dòng)回路的高頻阻抗，從而加速柵極高頻振蕩的衰減，如下圖所示。但這樣的方法很難完全消除柵極高頻振蕩，在某些情況下，振蕩電壓的峰值依然較高。

圖11. 磁珠抑制電路原理圖

2）共模電感抑制方案：

當開(kāi)爾文源極出現電位變化，共模電感與源極寄生電感會(huì )進(jìn)行分壓，且大多數電壓振蕩由共模電感承擔。同時(shí)，共模電感相當于一個(gè)變壓器，源極電感上的電壓振蕩會(huì )在柵極產(chǎn)生相同的感應電壓，兩者相互抵消，Vgs電壓保持相對穩定。

圖12. 共模電感方案電路原理圖

但需要注意的是，實(shí)際的共模電感存在漏感，因此柵極上仍然會(huì )存在一定的振蕩電壓，很難完全消除柵極諧振。

圖13. 采用共模電感方案后的并聯(lián)碳化硅模塊動(dòng)態(tài)測試波形

4. 交流軟并聯(lián)

交流軟并聯(lián)方案實(shí)際上是將原本耦合在一起的并聯(lián)器件進(jìn)行解耦，使得并聯(lián)器件或橋臂成為相對獨立的部分。該方案的關(guān)鍵在于交流輸出使用感值較大的均流電感Lphase1、Lphase2進(jìn)行隔離，并聯(lián)器件間使用相互獨立的驅動(dòng)電路。在交流輸出串入均流電感后，該電感承擔電流變化的絕大部分壓降。同時(shí)，并聯(lián)器件的驅動(dòng)回路完全分開(kāi)，不存在前述的諧振回路。

圖14. 交流輸出軟并聯(lián)電路原理圖

方案效果：

圖15. 采用交流輸出軟并聯(lián)方式的并聯(lián)碳化硅模塊動(dòng)態(tài)測試波形

圖16. 采用交流輸出軟并聯(lián)方式的并聯(lián)碳化硅模塊

關(guān)斷和開(kāi)通瞬間波形

結果顯示，即便在并聯(lián)器件間存在較大柵極驅動(dòng)延時(shí)的情況下，柵極電壓平滑，無(wú)諧振，穩態(tài)電流一致性高，具備十分優(yōu)良的效果。

從抑制效果、成本、可靠性、體積的角度比較上述幾種方案。改進(jìn)交流輸出端功率回路結構，盡量減小交流輸出端寄生電感，僅需做輕微改變即可實(shí)現，方案成本低，可以大幅度減少甚至消除柵極諧振現象，非常適合電動(dòng)汽車(chē)主驅的應用。

Tesla Model 3案例分析

及推薦解決措施

經(jīng)過(guò)上述的分析，再來(lái)看一下此次Tesla召回事件涉及的后驅逆變器碳化硅模組。從下圖的拆機照片可見(jiàn)，Model 3的碳化硅MOSFET模組是由4個(gè)半橋單元并聯(lián)組成，半橋單元的交流輸出端是通過(guò)激光焊接的細長(cháng)銅條，穿過(guò)負母線(xiàn)銅排上的開(kāi)口，連接到最上層的交流輸出母排進(jìn)行匯流。

圖17.(a) Tesla Model 3后驅逆變器碳化硅功率模組拆機圖 [6]

圖17.(b) Tesla Model 3后驅逆變器碳化硅功率模組

拆機圖局部放大 [6]

由圖可見(jiàn)，Model 3的半橋單元交流輸出寄生電感，包括交流輸出銅排上的finger結構、連接模塊和交流輸出銅排的細銅條、以及模塊內部的寄生電感。這幾部分寄生電感加起來(lái)，估計會(huì )使得Model 3半橋單元交流輸出寄生電感達到20nH左右。根據前述的分析，這種大小的交流輸出寄生電感，很容易在并聯(lián)器件體二極管不均流或一致性不佳時(shí)帶來(lái)柵極振蕩問(wèn)題。

那么針對這樣的問(wèn)題，應該如何改進(jìn)呢，筆者有以下兩點(diǎn)建議：

1）對器件進(jìn)行更嚴格的篩選——要求供應商除了對碳化硅MOSFET常用參數（Rdson，Vth）進(jìn)行一致性篩選，還要對其體二極管導通特性和反向恢復特性進(jìn)行一致性篩選。這種改進(jìn)方法無(wú)需改變設計結構，但是對供應商的下線(xiàn)測試流程要求非常高，會(huì )大幅增加器件成本。相信Tesla已經(jīng)在對供應商提出這樣的要求了。

2）改變銅排連接結構——如下圖所示，先用粗短的銅排將并聯(lián)半橋單元的交流輸出端就近連接，然后再統一通過(guò)銅排與交流輸出母排相連，由此極大地減小了交流輸出端寄生電感Lac，根據前述的分析，可以有效地改善柵極諧振問(wèn)題。這種方法僅需做輕微改變即可實(shí)現，方案成本低。Tesla采用了單管模塊，使這種改進(jìn)方法成為可能。

圖18. Model 3后驅逆變器碳化硅功率模組并聯(lián)結構示意圖

(現有方案 vs. 改進(jìn)方案)

致瞻科技介紹

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依托10余年的碳化硅功率模塊和驅動(dòng)系統研發(fā)經(jīng)驗，致瞻科技推出了SiCTeX系列碳化硅先進(jìn)電驅系統和ZiPACK高性能碳化硅功率模塊，已批量應用于新能源汽車(chē)、氫燃料電池系統、車(chē)載電動(dòng)空調壓縮機驅動(dòng)、工業(yè)驅動(dòng)以及航空/船舶電力推進(jìn)、特種電氣化動(dòng)力系統等領(lǐng)域。公司已獲得包括華域三電、小米汽車(chē)、比亞迪汽車(chē)、上汽捷氫、長(cháng)城汽車(chē)、華為、中船重工、中國中車(chē)、青島中加特、新奧集團等業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)的批量訂單，并積極與浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等高校開(kāi)展科研合作。

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參考文獻

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[6] “TESLA Model 3: Inverter Teardown” https://www.youtube.com/watch?v=fj4KBVgJsGA