单粒子效应对二次电源系统的影响

（一）航天器二次电源系统

DC-DC二次电源是直流-直流转换的开关电源，由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，是卫星、航天设备电源系统的关键组成部分，将系统总线电压转换为一定大小的输出，为子系统数/模电路提供工作电压。卫星上各个分系统对DC-DC电源模块的一个核心要求就是在各种不同输出负载、不同输入电压下都能保证输出电压的稳定。然而，空间带电粒子引起的电离辐照效应会造成这些卫星用DC-DC电源模块的参数特性发生退化，甚至会造成分系统出现断电等严重后果。

开关电源根据开关管、电感和电容的不同拓扑结构，商用开关电源主要有三种基本结构：降压型转换器（Buck Converter）、升压型转换器（Boost Converter）和降压-升压型转换器（Buck-Boost Converter）。

开关管控制信号的产生是根据电源稳压或稳流特性要求，利用增加反馈控制电路，采用占空比控制方法来实现的。通常根据控制方式有下面几种分类：第一种控制方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），即开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式；第二种控制方式为脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）；第三种是混合调制，可以理解为是以上两种方式的混合。在实际设计中由于采用频率调节时工作频率随时都在变化，对其他设备的干扰较大，且不容易消除，而多方式结合的控制电路分析很复杂，因而大多采用PWM控制方式，目前以PWM方式的控制IC较多。

图5-15给出了DC-DC电源模块的典型内部结构示意图，主要包括电压输入端、脉宽调制器（PWM）、VDMOS功率开关Q1、变压器Tl、磁反馈结构（Magnetic Feedback）、二极管D1、电压输出端等。其中功率开关VDMOS和脉冲调制器PWM是核心器件，PWM是DC-DC转换器中的开关信号产生器件；VDMOS是理想的开关器件和线性放大器件。

（二）功率MOSFET单粒子效应故障

随着半导体材料、器件制造工艺的发展和电子设备对器件的需求牵引，不断研制出各种结构的功率器件，目前应用的第二代功率器件主要有SiMOS、SiBJT、GaAsHBT、GaAsPHEMT、GaAsMOSFET等。宽禁带半导体材料的出现推动了功率器件的发展，已经出现了第三代功率器件SiC MOSFET、GaNHEMT。

图5-15　DC-DC电源模块典型内部结构示意图

功率MOSFET器件类型主要有VDMOS、LDMOS和Trench MOSFET三类功率MOSFET器件，其中，应用最为广泛的是具有双沟道垂直结构的VDMOS器件，主要作为功率开关使用，以其高开关速度、高耐压、低导通电阻、宽安全工作区以及很好的热稳定性等特点，广泛地应用于开关电源等功率集成电路和功率集成系统中；而具有水平结构的功率LDMOS器件具有开关速度快、增益高、热稳定性好、输出功率较大、具有动态范围大并呈一定的线性度和性价比高等优点，作为微波大功率器件的主流，主要应用在通信与雷达系统中。沟槽型功率场效应管（Trench Power MOSFET）器件作为一种新型垂直结构器件，是在VDMOS的基础上发展起来的，该结构拥有更低的导通电阻、低栅漏电荷密度，从而有低的导通和开关损耗及快的开关速度。

目前，功率MOS晶体管的芯片加工工艺已进入亚微米，甚至向深亚微米晶体管的尺度发展，数量也从几十万发展到上千万乃至上亿个，比如IR公司的第八代（0.5 μm）HEXFET元胞密度为每平方英寸1.12亿个元胞；另外，在低压大电流（VBR≤200 V、ID≤30 A以上）情况下应用的Trench MOS使用0.35 μm及更细线条的工艺生产，其单元密度高达每平方英寸287×106个元胞。

功率MOSFET器件在空间使用时，单粒子效应表现为单粒子烧毁SEB和单粒子栅击穿SEGR。SEB和SEGR都会造成功率器件硬损伤，会引起卫星电源电压和功耗剧烈波动，对卫星产生灾难性的后果。

1.功率MOSFET器件的SEB效应

功率MOSFET器件工作于高电压大电流状态。当粒子入射到器件时，在器件内部产生电子-空穴对，电子-空穴对在电场作用下发生复合、漂移、跃迁等，最终导致器件发生SEB效应或SEGR效应。VDMOS的SEB效应是重离子辐照产生大量电子-空穴对，在漏极高压作用下，形成大电流，当横向流过P+区的电流足够大时，就会在寄生三极管的基区电阻上产生压降，使寄生三极管开启，形成电流放大效应。漏极高压维持一段时间后不断增大电流促使寄生三极管进入二次击穿，击穿电压下降。局部高电流密度最终导致器件烧毁。与VDMOS器件的效应机理相比，LDMOS器件中的横向空穴电流不但包括了扩散电流，而且还包含有横向的漂移电流，因此在相同的掺杂浓度与相同的高能粒子轰击下，LDMOS器件在P+区的分布电阻上产生的压降更大，SEB敏感性更高。Trench MOSFET由于P+区横向较VDMOS器件宽，相对应的P+区宽度变小，分布电阻小，因此与VDMOS器件相比，它的SEB效应敏感性更低。

2.功率MOSFET器件的SEGR效应

VDMOS的SEGR效应是入射粒子在器件漂移区产生大量的电子-空穴对，在电场作用下空穴跃迁到JFET区的Si/SiO2界面处，空穴在界面处的累积导致氧化层上形成一个瞬态电场，使得氧化层内的电场超过临界击穿电场，导致栅氧化层被击穿，最终失去栅控能力。LDMOS器件由于横向电场的缘故，空穴向栅氧化层底部扩散的概率很小，因此，LDMOS器件对SEGR效应敏感性很低。Trench器件的SEGR效应的机理与VDMOS器件相同，但是由于在栅的底部两个直角部位产生尖角效应，降低了栅漏之间的击穿电压，因此该类器件的SEGR效应敏感性很低。

图5-16（a）给出的是国产N沟道VDMOS器件不同LET值的重离子单粒子效应试验（最大LET值为92 MeV·cm2/mg）得出的器件安全工作电压范围。从图5-16（a）结果可以看出，在安全工作区下方，功率VDMOS器件没有发生单粒子效应，因此，器件在空间使用时，选用安全工作区下方的工作区域可以尽可能地避免单粒子现象发生。栅源电压的绝对值越大，其器件发生单粒子效应的漏源电压越小。粒子LET值越大，穿透深度越深，则器件损伤越大，安全工作电压越低。图5-16（b）给出的是不同总注量条件下（低注量1E5 ion/cm2和高注量5E6 ion/cm2）的安全工作电压变化情况。可以看出，总注量越大，安全工作电压越低，在评估试验时，需综合考虑辐照注量与在轨实际注量的关系。

（三）脉宽调制器PWM单粒子效应故障

脉宽调制控制器（PWM）是开关型稳压电源反馈控制电路的重要组成部分，它通过对开关电源输出电压进行采样、误差放大，调整控制器输出脉冲的宽度，改变脉冲的占空比，控制功率开关元件的开启与关闭，从而实现开关电源的稳压。然而同时，PWM控制器也是DC-DC转换器中主要的单粒子效应敏感单元之一。PWM控制器在空间带电粒子辐射环境中很容易导致参数退化甚至功能失效，不能提供电源稳压需要的脉冲循环，致使电源系统不稳定甚至失效。

图5-16　I+、Br+、Bi+离子辐照下的VDMOS安全工作区和Kr+离子在不同注量辐照下的VDMOS安全电压范围

（a）I+、Br+、Bi+离子辐照下的VDMOS安全工作区；
（b）Kr+离子在不同注量辐照下的VDMOS安全电压范围(www.xing528.com)

PWM控制器有BiCMOS和Bipolar两种生产工艺。BiCMOS工艺器件对总剂量辐射效应敏感，在较低的累积剂量下就发生性能退化，而双极工艺器件对总剂量的损伤阈值较高，但会限制达到兆赫兹（高频）工作的能力。最初的开关转换器采用电压控制模式，对输出电压采样作为反馈信号，利用比较器实现对占空比调制，以调节输出电压。针对电压控制的缺点发展起来的双环控制系统，它在电压控制基础上，增加了一个电感电流负反馈环节，从而提高了转换器的性能。与电压控制相比，电流控制具有优良的瞬态响应及抗干扰、过流保护能力，且回路稳定性好，负载响应快。典型的硅双极功率IC工艺制造的电流型PWM控制器内部主要功能单元有基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM锁存器、欠压锁定电路、门电路、输出级等。

由于PWM控制器集成了一些逻辑器件，因此对单粒子效应敏感。研究表明，PWM控制器的单粒子效应主要包括单粒子翻转（SEU）、单粒子扰动（SED）和单粒子瞬态（SET）。这几种效应对PWM控制器的影响主要表现为输出脉冲漏失、时钟控制闩锁和控制回路瞬变等。由于DC-DC转换器自身具备输出反馈调节功能，某一个周期内PWM控制器的脉冲漏失或控制闩锁不会对DC-DC转换器输出产生严重影响，如果持续发生，则会导致DC-C转换器功能彻底丧失。

SET对电压基准和放大器的影响，该类影响主要表现为在电路输出端产生一定宽度的瞬态脉冲，这种瞬态影响可能会叠加在调制脉冲之上，出现脉冲漏失或出现超长脉冲，在一段时间内改变调制脉冲的占空比，进而改变功率开关器件的导通状态，产生非正常的导通和关闭。对于电压调节器的影响表现为输出电压的幅度波动，如果瞬态脉冲足够宽，可能引起电压调节器输出掉电或者输出电压增大。

触发控制电路是一个典型的双稳态单元，采用体硅CMOS工艺，SEE对其的影响主要表现为SEU和单粒子锁定SEL。当触发器发生SEU时，触发器的输出状态固定，导致功率开关管的控制状态固定，可能导致功率开关管一段时间内持续导通或者持续关闭，对于PWM电压调节器的影响，表现为电压调节器一段时间内输出掉电或者是输出电压持续增大，直到器件进入限压保护状态。上述影响只有在对触发器进行重写或者进行状态刷新后才能克服；SEL对于PWM电压调节器的影响，主要表现为调节器的控制状态进入一种“固定”状态，导致器件不能正常工作。表现为器件一直掉电，或者器件电流持续增大，这种影响只有通过及时对器件断电重启才能消除。

（四）IGBT单粒子效应故障

在常见大功率开关器件中，绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）以其卓越的导通特性和开关特性占据了广泛的市场。IGBT是一种由MOS结构和BJT结构组成的复合型电压控制型功率器件。通过正面的MOS结构对沟道的控制来实现对整个器件的开启和关断，在栅极上外加正偏压时，MOS结构沟道开启，为BJT结构提供基极驱动电流，使得IGBT工作。这样的结构使得IGBT一方面具有MOSFET的高输入阻抗的特点，另一方面具有BJT、GTR的低导通压降的特点，且具有易于控制的特点。纵向结构更是使得IGBT器件的阻断能力、正向电流能力得到了质的飞跃。

图5-17给出了IGBT的基本结构示意图。

图5-17　IGBT基本结构示意图

IGBT在结构上是三端器件，包含源极（Anode）、漏极（Cathode）、栅极（Gate），其与MOS管的最大区别在于IGBT的源极处具有P型掺杂的背面源极，因而具有PNPN四重复合结构。尽管其拥有PNPN的类晶闸管结构，但其工作模式与晶闸管完全不同，通常认为IGBT具有正向阻断、反向阻断、导通三种状态。

对于IGBT的导通态：当IGBT的栅极所加偏压大于栅极下方MOS结构的开启阈值Vth时，P-Well靠近表面的部分开始出现反型，形成连接N+区域和漂移区的电子流动通道，电子从N+区域向漂移区流动，阳极加上正偏压，此时P-Anode/N-Drift结正偏，空穴开始注入，为N漂移区提供少子，随着源极电压的增加，空穴的注入量也随之增大，促使P-Anode/N-Drift/P-Well三极管工作。大量的空穴注入导致漂移区载流子浓度提高，产生电导调制效应，使得整个器件导通电阻下降。这也是IGBT不同于纯MOS器件的最主要地方，外加源极偏压下空穴的注入促使纵向PNP晶体管导通。

对于IGBT的阻断态：在栅极所加偏压小于阈值电压使其不足以让MOS结构中沟道开启，此时，IGBT处于阻断状态，其中若源极偏压相对于漏极为正，则为正向阻断；若源极偏压相对于漏极为负，则为反向阻断。当正向阻断时，P-Well/N-Drift结反偏，而当反向阻断时，N+/P-Well和N-Drift/P-Anode两个结反偏。

空间辐射环境带电粒子可能引起的IGBT器件单粒子效应失效故障理论上有五种方式，其中四种失效方式发生在阻断态：①空穴向栅极聚集时期，栅氧化层电场不断上升，可能大于栅氧本征击穿电场，发生栅击穿；②漏极电流抽取时期，此时耗尽线尚未抵达源极，电荷分离伴随的碰撞电离使抽取量小于产生量，漏极可能在电流增加中局部烧毁；③晶闸管通路形成后，可能发生闩锁或发生从漏极到源极的贯通烧毁；④含背面缓冲层的情况下，耗尽区转移到缓冲层时，可能在漂移区/缓冲层高低结上产生高电场，引发动态雪崩，形成难以转移的电流丝，出现背面局部烧毁。⑤失效发生在导通态。单粒子入射产生瞬态电流，使正向电流增大，超出器件稳定工作范围。

失效故障发生在阻断模式下，器件的体区出现针眼大小的从漏极到源极的熔化通孔，即阻断态的贯通烧毁。IGBT存在单粒子烧毁效应的阈值VFth，当漏源偏置低于该阈值电压时，就不会发生SEB现象。

通常情况下，IGBT中的PNPN结构并不会像晶闸管一样导通，而是按照MOS开关和BJT晶体管这一组合分别工作。IGBT在导通状态时，IGBT等效电路中在NPN晶体管的基极和发射极之间相当于并联了一个等效体电阻，电流流过该电阻会产生压降，即对于NPN晶体管基极而言相当于外加正偏电压，当电流增大并导致在NPN晶体管导通时，会使得其余PNP相互激励，最终导致闩锁；另一种可能是，当IGBT经历瞬时开关过程时，较大的dV/dt使得源极-漏极之间电压增加过快，使得NPN晶体管因位移电流而导通。

当空间高能带电粒子入射时，随着粒子LET数值上的增大，电子-空穴对的产生率也相应增大，当LET值增大到一定程度时，器件中所产生的电子-空穴对将足以引起较大的复合电流，从而触发PNPN结构闩锁。图5-18展示了当LET值超过发生闩锁的阈值和未达到发生闩锁的阈值时对应的源极电流变化曲线。可以看出，单粒子入射前器件中便有一定的电流，为10-4A左右量级，而在单粒子入射后这个电流迅速提升，其后在200 ps处出现一个较小的峰值，这个峰值主要来源于刚入射时引起的电离量的高斯分布，然而随后空穴被漏极快速抽取导致总电流降低，之后随着电离出来的电子和空穴的再分布而增大，当LET值足够大时则触发了闩锁的发生，导致整体的电流进一步增加。

图5-18　NPT-IGBT中源极电流随时间变化曲线