【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)中的柵極諧振問題

徐賀、朱楠、鄭福軍、朱安康、羅皓澤

引言

最近特斯拉因后驅(qū)逆變器故障召回國內(nèi)超過12.5萬輛Model 3 電動汽車。眾所周知，特斯拉在其Model 3 的后驅(qū)上大部分采用了碳化硅MOSFET(屬于行業(yè)內(nèi)第一家)。如今國內(nèi)各大主機(jī)廠也都在緊鑼密鼓的推出碳化硅的400V和800V平臺的車型。這次召回事件必然會給各大主機(jī)廠及從業(yè)人員帶來較多猜測和質(zhì)疑，鑒于此，本文做一些原因分析，供業(yè)內(nèi)同行討論。

根據(jù)特斯拉官方說法，本次召回的根本原因是“后電機(jī)逆變器功率半導(dǎo)體元件可能存在微小的制造差異，其中部分車輛使用一段時(shí)間后元件制造差異可能會導(dǎo)致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正常控制電流”。

圖1. Tesla官網(wǎng)發(fā)布的召回/更新公告[1]

筆者認(rèn)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(dǎo)體失效的原因多種多樣。筆者不否認(rèn)任何其他可能原因。

特斯拉后驅(qū)逆變器采用了四個分立的單管模塊并聯(lián)（每個單管模塊內(nèi)置2顆芯片），筆者認(rèn)為第三個原因可能性偏大：由于碳化硅MOSFET制造工藝等原因可能會造成參與并聯(lián)的碳化硅器件的體二極管反向恢復(fù)特性的差異，這種反向恢復(fù)特性差異如果較大的話會導(dǎo)致對管并聯(lián)MOSFET柵極電壓的高頻諧振（會超出柵極額定耐壓），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。這個猜測即便不成立，相信對于各位從事碳化硅電驅(qū)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

及柵極氧化層問題

1.1 SiC MOSFET體二極管特性差異機(jī)理分析

由于通態(tài)下基區(qū)存儲的載流子不會立即消失，在逆變器的橋臂換流的死區(qū)時(shí)間段的模態(tài)內(nèi)，SiC MOSFET體二極管關(guān)斷過程將出現(xiàn)反向恢復(fù)現(xiàn)象。反向恢復(fù)時(shí)間和電荷量主要受器件內(nèi)部載流子壽命決定。不同載流子壽命下的反向恢復(fù)過程電流波形如下圖所示，載流子壽命越長，反向恢復(fù)時(shí)間越長，反向恢復(fù)電流峰值越大，反向恢復(fù)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(fù)過程電流波形

相比較于硅基器件，SiC MOSFET生產(chǎn)過程會經(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(yīng)力較大，易造成離子注入過程注入角度一致性差，從而導(dǎo)致器件內(nèi)部摻雜濃度存在差異，從而影響器件內(nèi)部載流子壽命。另一方面，離子注入過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(fù)晶格并達(dá)到高的電激活率^[4]，退火過程同樣會在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的缺陷中心，離子注入和退火過程產(chǎn)生缺陷中心的差異會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(fù)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(fù)特性差異也會比較大。

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

1.2 碳化硅柵極氧化層老化失效機(jī)理分析

SiC MOSFET的柵氧可靠性問題是制約其快速發(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勢壘來到氧化層中，使SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)更易受到F-N隧穿電流的影響。隧穿載流子在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下不斷加速，在運(yùn)動過程中與晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的陷阱，從而導(dǎo)致氧化物缺陷，導(dǎo)致柵極漏電流增大，在柵極氧化層內(nèi)引起電介質(zhì)擊穿。另一方面，SiC基器件在氧化過程中會在SiC/SiO2的界面處帶來較高的界面態(tài)密度，高密度的界面態(tài)會影響SiC MOSFET 器件的性能和可靠性。界面態(tài)電荷陷阱在器件開啟和關(guān)斷的過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(dǎo)通電阻和開關(guān)特性造成影響；界面態(tài)電荷陷阱增大SiC MOSFET在高電場下的隧穿電流，增大柵極漏電流，從而擊穿柵氧介質(zhì)導(dǎo)致器件失效。

下圖為不同柵極電壓應(yīng)力下器件壽命曲線，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產(chǎn)生性能退化、壽命急劇衰減直至擊穿失效，應(yīng)避免實(shí)際應(yīng)用中柵極過電壓的出現(xiàn)。

圖3. 不同器件不同柵極電壓應(yīng)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(jī)理分析

碳化硅器件在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)的均流問題，應(yīng)該是設(shè)計(jì)碳化硅功率變換器時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。MOSFET作為一種可控器件，相信通過功率回路的均衡布局設(shè)計(jì)，以及有源或無源的驅(qū)動均流設(shè)計(jì)，可以很好地解決碳化硅MOSFET并聯(lián)應(yīng)用時(shí)關(guān)斷過程中的均流問題。但是，由于MOSFET體二極管反向恢復(fù)過程很難控制，在MOSFET并聯(lián)應(yīng)用時(shí)的開通過程中，如果體二極管反向恢復(fù)特性不一致，往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的并聯(lián)柵極振蕩問題。

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。但是到了開通瞬間，卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的振蕩現(xiàn)象。

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

（開通時(shí)刻發(fā)生嚴(yán)重的柵極振蕩現(xiàn)象）

再來看兩只半橋碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)開通過程的細(xì)節(jié)波形，如下圖所示。從波形上可見，兩只參與續(xù)流的體二極管電流為Irr1和Irr2，由于其導(dǎo)通電流有明顯差異以及反向恢復(fù)特性一致性較差，造成在MOSFET開通、其對管器件體二極管反向恢復(fù)過程中，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(xiàn)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柵氧層在長期的過應(yīng)力下，逐漸退化，最終導(dǎo)致失效。

圖5. 碳化硅MOSFET模塊并聯(lián)開通過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(jī)理。首先，畫出兩只半橋碳化硅MOSFET并聯(lián)時(shí)的寄生參數(shù)模型，其中上管處于開通過程，下管處于MOSFET關(guān)斷體二極管續(xù)流的狀態(tài)，如下圖所示。圖中，Lg、Lss分別為驅(qū)動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(shù)簡化模型

在下管體二極管反向恢復(fù)過程中，將上述的模型簡化為瞬態(tài)小信號寄生參數(shù)模型，如下圖所示。其中，下管體二極管的反向恢復(fù)電流等效為兩個di/dt差異較大的電流源，上管MOSFET此時(shí)還沒有完全開通，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)的簡化寄生參數(shù)模型

由前面的測試波形可見，碳化硅MOSFET體二極管特性不一致，會導(dǎo)致反向恢復(fù)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(shù)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生諧振。特別是當(dāng)半橋模塊的交流輸出端寄生電感Lac1、Lac2較大時(shí)，在Lac1、Lac2兩端會產(chǎn)生較大的振蕩電壓，進(jìn)一步造成驅(qū)動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(xiàn)振蕩。

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

從前面的諧振網(wǎng)絡(luò)分析中可以發(fā)現(xiàn)，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(fù)電流激勵源就不會在上管的柵極上產(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，則激勵源不會對上管的柵極回路產(chǎn)生明顯影響，柵極振蕩的風(fēng)險(xiǎn)就會極大減小。

圖8. 交流輸出端寄生電感較小時(shí)的寄生參數(shù)模型

在功率模塊內(nèi)部，上管并聯(lián)芯片的源極可以通過很短的鍵合線先統(tǒng)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(rèn)為交流輸出端的Lac1和Lac2接近0nH的情況。因此，在功率模塊內(nèi)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)生柵極諧振問題。

但是，在功率模塊級別的并聯(lián)應(yīng)用中，由于模塊結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，交流輸出端寄生電感Lac包含模塊內(nèi)部鍵合線、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(dá)到20~40nH，因此當(dāng)并聯(lián)器件的體二極管特性差異較大時(shí)，會在并聯(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(yīng)用中，根據(jù)上述的分析，需要特別關(guān)注體二極管的導(dǎo)通特性和反向恢復(fù)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(dāng)體二極管一致性較差時(shí)，開通時(shí)的柵極諧振嚴(yán)重; 器件初步篩選后，柵極諧振變小，但仍沒有完全消除。

(a) 并聯(lián)器件體二極管特性一致性較差時(shí)動態(tài)開關(guān)測試波形

(b) 并聯(lián)器件體二極管特性一致性較好時(shí)動態(tài)開關(guān)測試波形

圖9. 不同體二極管特性造成的柵極諧振現(xiàn)象

2. 交流輸出端設(shè)計(jì)優(yōu)化

并聯(lián)柵極諧振問題是由不對稱的di/dt在交流輸出端寄生電感上產(chǎn)生壓降引起的，在無法消除不對稱的電流變化時(shí)，通過前述分析，盡可能減小交流輸出端寄生電感Lac1和Lac2，類似于功率模塊內(nèi)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(xiǎn)。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情況下開通瞬間柵極波形仿真對比

3. 柵極振蕩無源抑制

在無法從根源上解決柵極振蕩問題時(shí)，可以通過增加無源元件的手段盡可能抑制柵極電壓諧振，降低對柵極的過應(yīng)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?xùn)艠O驅(qū)動回路的高頻阻抗，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(dāng)開爾文源極出現(xiàn)電位變化，共模電感與源極寄生電感會進(jìn)行分壓，且大多數(shù)電壓振蕩由共模電感承擔(dān)。同時(shí)，共模電感相當(dāng)于一個變壓器，源極電感上的電壓振蕩會在柵極產(chǎn)生相同的感應(yīng)電壓，兩者相互抵消，Vgs電壓保持相對穩(wěn)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(dú)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(dú)立的驅(qū)動電路。在交流輸出串入均流電感后，該電感承擔(dān)電流變化的絕大部分壓降。同時(shí)，并聯(lián)器件的驅(qū)動回路完全分開，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)斷和開通瞬間波形

結(jié)果顯示，即便在并聯(lián)器件間存在較大柵極驅(qū)動延時(shí)的情況下，柵極電壓平滑，無諧振，穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)，方案成本低，可以大幅度減少甚至消除柵極諧振現(xiàn)象，非常適合電動汽車主驅(qū)的應(yīng)用。

Tesla Model 3案例分析

及推薦解決措施

經(jīng)過上述的分析，再來看一下此次Tesla召回事件涉及的后驅(qū)逆變器碳化硅模組。從下圖的拆機(jī)照片可見，Model 3的碳化硅MOSFET模組是由4個半橋單元并聯(lián)組成，半橋單元的交流輸出端是通過激光焊接的細(xì)長銅條，穿過負(fù)母線銅排上的開口，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(qū)逆變器碳化硅功率模組拆機(jī)圖 [6]

圖17.(b) Tesla Model 3后驅(qū)逆變器碳化硅功率模組

拆機(jī)圖局部放大 [6]

由圖可見，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(jié)構(gòu)、連接模塊和交流輸出銅排的細(xì)銅條、以及模塊內(nèi)部的寄生電感。這幾部分寄生電感加起來，估計(jì)會使得Model 3半橋單元交流輸出寄生電感達(dá)到20nH左右。根據(jù)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)帶來柵極振蕩問題。

那么針對這樣的問題，應(yīng)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(yán)格的篩選——要求供應(yīng)商除了對碳化硅MOSFET常用參數(shù)（Rdson，Vth）進(jìn)行一致性篩選，還要對其體二極管導(dǎo)通特性和反向恢復(fù)特性進(jìn)行一致性篩選。這種改進(jìn)方法無需改變設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但是對供應(yīng)商的下線測試流程要求非常高，會大幅增加器件成本。相信Tesla已經(jīng)在對供應(yīng)商提出這樣的要求了。

2）改變銅排連接結(jié)構(gòu)——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(tǒng)一通過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(jù)前述的分析，可以有效地改善柵極諧振問題。這種方法僅需做輕微改變即可實(shí)現(xiàn)，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(qū)逆變器碳化硅功率模組并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

(現(xiàn)有方案 vs. 改進(jìn)方案)

致瞻科技介紹

致瞻科技（上海）有限公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，是一家聚焦于碳化硅半導(dǎo)體器件和先進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)的高科技公司。公司總部位于上海市閔行區(qū)，在浙江嘉興擁有25000㎡數(shù)字化生產(chǎn)基地和60畝在建研發(fā)生產(chǎn)中心。同時(shí)，在江蘇南京及山東青島設(shè)立了研發(fā)機(jī)構(gòu)。公司秉承“創(chuàng)新、務(wù)實(shí)”的核心理念，擁有一支由11位博士領(lǐng)銜的頂尖研發(fā)隊(duì)伍。

依托10余年的碳化硅功率模塊和驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，致瞻科技推出了SiCTeX系列碳化硅先進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)和ZiPACK高性能碳化硅功率模塊，已批量應(yīng)用于新能源汽車、氫燃料電池系統(tǒng)、車載電動空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動、工業(yè)驅(qū)動以及航空/船舶電力推進(jìn)、特種電氣化動力系統(tǒng)等領(lǐng)域。公司已獲得包括華域三電、小米汽車、比亞迪汽車、上汽捷氫、長城汽車、華為、中船重工、中國中車、青島中加特、新奧集團(tuán)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)等高校開展科研合作。

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