【干貨】技術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

最近特斯拉因后驅逆變器故障召回國內超過12.5萬輛Model 3 電動汽車。眾所周知，特斯拉在其Model 3 的后驅上大部分采用了碳化硅MOSFET(屬于行業內第一家)。如今國內各大主機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廠及從業人員帶來較多猜測和質疑，鑒于此，本文做一些原因分析，供業內同行討論。

根據特斯拉官方說法，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，其中部分車輛使用一段時間后元件制造差異可能會導致后逆變器發生故障，造成逆變器不能正常控制電流”。

圖1. Tesla官網發布的召回/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分立的單管模塊并聯（每個單管模塊內置2顆芯片），筆者認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會導致對管并聯MOSFET柵極電壓的高頻諧振（會超出柵極額定耐壓），從而引發碳化硅MOSFET柵極氧化層的老化衰減，直至擊穿柵極氧化層產生破壞性失效。這個猜測即便不成立，相信對于各位從事碳化硅電驅行業的同仁們或多或少有一些借鑒意義，也非常歡迎各位行業大牛、技術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理分析

由于通態下基區存儲的載流子不會立即消失，在逆變器的橋臂換流的死區時間段的模態內，SiC MOSFET體二極管關斷過程將出現反向恢復現象。反向恢復時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程電流波形如下圖所示，載流子壽命越長，反向恢復時間越長，反向恢復電流峰值越大，反向恢復電荷量越多。

圖2. 體二極管通態電流密度分布及不同載流子壽命下

反向恢復過程電流波形

相比較于硅基器件，SiC MOSFET生產過程會經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，離子注入過程高能粒子轟擊在基體材料中產生大量缺陷，且離子注入后需在高溫（1600~1700℃）下進行退火以修復晶格并達到高的電激活率^[4]，退火過程同樣會在材料內部產生大量的缺陷中心，離子注入和退火過程產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特性和其承載的電流大小直接相關，在并聯不均流的情形下，體二極管的反向恢復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工藝過程制約，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程可能存在差異。另外，并聯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的柵氧可靠性問題是制約其快速發展的因素之一，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，在運動過程中與晶格發生碰撞，產生新的陷阱，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密度，高密度的界面態會影響SiC MOSFET 器件的性能和可靠性。界面態電荷陷阱在器件開啟和關斷的過程中俘獲和釋放載流子，使得SiC MOSFET的閾值電壓發生漂移，對SiC MOSFET 的導通電阻和開關特性造成影響；界面態電荷陷阱增大SiC MOSFET在高電場下的隧穿電流，增大柵極漏電流，從而擊穿柵氧介質導致器件失效。

下圖為不同柵極電壓應力下器件壽命曲線，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生性能退化、壽命急劇衰減直至擊穿失效，應避免實際應用中柵極過電壓的出現。

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的

柵極諧振機理分析

碳化硅器件在并聯應用時的均流問題，應該是設計碳化硅功率變換器時關注的焦點問題之一。MOSFET作為一種可控器件，相信通過功率回路的均衡布局設計，以及有源或無源的驅動均流設計，可以很好地解決碳化硅MOSFET并聯應用時關斷過程中的均流問題。但是，由于MOSFET體二極管反向恢復過程很難控制，在MOSFET并聯應用時的開通過程中，如果體二極管反向恢復特性不一致，往往會導致嚴重的并聯柵極振蕩問題。

如下圖所示，兩只碳化硅MOSFET模塊并聯使用，在關斷瞬間，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，卻出現了嚴重的振蕩現象。

圖4. 碳化硅MOSFET模塊并聯開關時刻波形

（開通時刻發生嚴重的柵極振蕩現象）

再來看兩只半橋碳化硅MOSFET模塊并聯開通過程的細節波形，如下圖所示。從波形上可見，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開通、其對管器件體二極管反向恢復過程中，Irr1和Irr2的瞬態變化率di/dt，產生了明顯的差異，而與此同時，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柵氧層在長期的過應力下，逐漸退化，最終導致失效。

圖5. 碳化硅MOSFET模塊并聯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生的機理。首先，畫出兩只半橋碳化硅MOSFET并聯時的寄生參數模型，其中上管處于開通過程，下管處于MOSFET關斷體二極管續流的狀態，如下圖所示。圖中，Lg、Lss分別為驅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模塊并聯時的寄生參數簡化模型

在下管體二極管反向恢復過程中，將上述的模型簡化為瞬態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di/dt差異較大的電流源，上管MOSFET此時還沒有完全開通，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并聯時的簡化寄生參數模型

由前面的測試波形可見，碳化硅MOSFET體二極管特性不一致，會導致反向恢復電流di/dt的明顯差異，這樣瞬態電流差異作為激勵源，在上圖所示的寄生參數網絡中產生諧振。特別是當半橋模塊的交流輸出端寄生電感Lac1、Lac2較大時，在Lac1、Lac2兩端會產生較大的振蕩電壓，進一步造成驅動回路的源極寄生電感Lss1、Lss2上也產生振蕩電壓，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，或者用單管并聯時，也容易出現同樣的柵極諧振問題呢？

從前面的諧振網絡分析中可以發現，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在上管的柵極上產生明顯的振蕩。如下圖所示，交流輸出端寄生電感Lac很小時，近似為短路，則激勵源不會對上管的柵極回路產生明顯影響，柵極振蕩的風險就會極大減小。

圖8. 交流輸出端寄生電感較小時的寄生參數模型

在功率模塊內部，上管并聯芯片的源極可以通過很短的鍵合線先統一鍵合至匯流DBC銅層上; 在單管并聯時，上管并聯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，以及單管并聯時，近似于上述分析的后一種情況，一般不容易產生柵極諧振問題。

但是，在功率模塊級別的并聯應用中，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結構中，交流輸出端寄生電感Lac包含模塊內部鍵合線、DBC和功率端子的寄生電感，以及模塊外部銅排的寄生電感，很容易達到20~40nH，因此當并聯器件的體二極管特性差異較大時，會在并聯器件的柵極上產生明顯的振蕩。

解決柵極諧振的可能方案

1. 對碳化硅器件進行體二極管一致性篩選

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

(a) 并聯器件體二極管特性一致性較差時動態開關測試波形

(b) 并聯器件體二極管特性一致性較好時動態開關測試波形

圖9. 不同體二極管特性造成的柵極諧振現象

2. 交流輸出端設計優化

并聯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生壓降引起的，在無法消除不對稱的電流變化時，通過前述分析，盡可能減小交流輸出端寄生電感Lac1和Lac2，類似于功率模塊內部芯片并聯或單管并聯的情形，可以降低柵極振蕩的風險。下圖展示了在碳化硅功率器件體二極管特性不同時，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　　　　　（b）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，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：

當開爾文源極出現電位變化，共模電感與源極寄生電感會進行分壓，且大多數電壓振蕩由共模電感承擔。同時，共模電感相當于一個變壓器，源極電感上的電壓振蕩會在柵極產生相同的感應電壓，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碳化硅模塊動態測試波形

4. 交流軟并聯

交流軟并聯方案實際上是將原本耦合在一起的并聯器件進行解耦，使得并聯器件或橋臂成為相對獨立的部分。該方案的關鍵在于交流輸出使用感值較大的均流電感Lphase1、Lphase2進行隔離，并聯器件間使用相互獨立的驅動電路。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，并聯器件的驅動回路完全分開，不存在前述的諧振回路。

圖14. 交流輸出軟并聯電路原理圖

方案效果：

圖15. 采用交流輸出軟并聯方式的并聯碳化硅模塊動態測試波形

圖16. 采用交流輸出軟并聯方式的并聯碳化硅模塊

關斷和開通瞬間波形

結果顯示，即便在并聯器件間存在較大柵極驅動延時的情況下，柵極電壓平滑，無諧振，穩態電流一致性高，具備十分優良的效果。

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，非常適合電動汽車主驅的應用。

Tesla Model 3案例分析

及推薦解決措施

經過上述的分析，再來看一下此次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，Model 3的碳化硅MOSFET模組是由4個半橋單元并聯組成，半橋單元的交流輸出端是通過激光焊接的細長銅條，穿過負母線銅排上的開口，連接到最上層的交流輸出母排進行匯流。

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，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，估計會使得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，很容易在并聯器件體二極管不均流或一致性不佳時帶來柵極振蕩問題。

那么針對這樣的問題，應該如何改進呢，筆者有以下兩點建議：

1）對器件進行更嚴格的篩選——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行一致性篩選。這種改進方法無需改變設計結構，但是對供應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半橋單元的交流輸出端就近連接，然后再統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現，方案成本低。Tesla采用了單管模塊，使這種改進方法成為可能。

圖18. Model 3后驅逆變器碳化硅功率模組并聯結構示意圖

(現有方案 vs. 改進方案)

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系統研發經驗，致瞻科技推出了SiCTeX系列碳化硅先進電驅系統和ZiPACK高性能碳化硅功率模塊，已批量應用于新能源汽車、氫燃料電池系統、車載電動空調壓縮機驅動、工業驅動以及航空/船舶電力推進、特種電氣化動力系統等領域。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、新奧集團等業界領先企業的批量訂單，并積極與浙江大學、南京航空航天大學、清華大學等高校開展科研合作。

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參考文獻

[1]  https://www.tesla.cn/support/model-3-rear-motor-inverter-safety-update

[2] Yu H, Liang S, Liu H, et al. Numerical study of SiC MOSFET with integrated n-/n-type poly-Si/SiC heterojunction freewheeling diode[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, 68(9): 4571-4576.

[3] Sapienza S, Sozzi G, Santoro D, et al. Correlation between OCVD carrier lifetime vs temperature measurements and reverse recovery behavior of the body diode of SiC power MOSFETs[J]. Microelectronics Reliability, 2020, 113: 113937.

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[5]  Wang J, Jiang X. Review and analysis of SiC MOSFETs’ ruggedness and reliability[J]. IET Power Electronics, 2020, 13(3): 445-455.

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