張發(fā)家 束遠(yuǎn)濤 陳勃言 劉杰 宮克長(zhǎng)

寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司創(chuàng)新研究院 浙江省寧波市 315300

1 引言

近幾年隨著國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力技術(shù)地快速發(fā)展，包含BSG 電機(jī)、輕混、增程、插混、純電動(dòng)形式的新能源車輛日漸增多，新能源車輛低壓供電系統(tǒng)，需要DCDC 轉(zhuǎn)換器從高壓電轉(zhuǎn)換而來；但DCDC 作為伴隨新能源車輛的全新部件，相對(duì)傳統(tǒng)車型的成熟產(chǎn)品的故障率要高，涉及一些新技術(shù)，問題處理起來也較為棘手，本篇通過解讀車輛報(bào)的故障碼，梳理解決問題的思路。

2 問題描述

2.1 問題現(xiàn)象

某款裝備BSG 電機(jī)弱混配置的SUV 車輛，在車輛試制過程中出現(xiàn)診斷系統(tǒng)報(bào)碼硬件故障等問題，經(jīng)過對(duì)故障件進(jìn)行如下解析：

①外觀檢查及氣密性：結(jié)果ok；

②工廠下線EOL 復(fù)測(cè)：結(jié)果not ok；

③進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)二極管漏電流fail；

④各端子阻值測(cè)量、拆開外蓋測(cè)量MOSFET(用于保護(hù)電路故障的40V 安全MOSFET)短路、對(duì)MOSFET 本體進(jìn)行量測(cè)，阻抗not ok；

⑤更換狀態(tài)無問題件的MOSFET后重復(fù)測(cè)量MOSFET阻抗：ok。得到結(jié)論：MOSFET 短路導(dǎo)致DCDC 故障。

2.2 機(jī)理分析

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（單極型）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好[1]；

MOSFET 失效原因如下：

①雪崩失效(電壓失效)，也就是我們常說的漏源間的Vdss電壓超過MOSFET 的額定電壓，并且超過到達(dá)了一定的極限才能導(dǎo)致MOSFET 失效。例如滿載工作時(shí)發(fā)生異常，觸發(fā)保護(hù)模式safety switch 切斷功率回路，這時(shí)電池電壓、電容電壓及線路中寄生電感在關(guān)斷時(shí)感應(yīng)出來的電壓疊加后有可能超過額定電壓。低溫時(shí)更為惡劣，比如40V 的MOSFET 低溫時(shí)額定電壓會(huì)下降10%。

②SOA失效(電流失效)，既超出MOSFET 安全工作區(qū)引起的失效，分為Id超出器件規(guī)格失效以及Id過大，損耗過高器件長(zhǎng)時(shí)間熱積累而導(dǎo)致的失效。MOSFET工作時(shí)流過的電流不能大于額定工作電流或者流過體二極管的電流不能超過額定工作電流。比如長(zhǎng)時(shí)間工作在過流模式下或者有大的瞬時(shí)inrush 電流流過時(shí)。

③體二極管失效：在橋式、LLC 等有用到體二極管進(jìn)行續(xù)流的拓?fù)錁?gòu)造中，由于體二極管遭受破壞而導(dǎo)致的失效。

④諧振失效：在并聯(lián)運(yùn)用的過程中，柵極及電路寄生參數(shù)導(dǎo)致震蕩引起的失效。

⑤靜電失效：在秋冬時(shí)節(jié)，由于人體及設(shè)備靜電而導(dǎo)致的器件失效。

⑥柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導(dǎo)致柵極柵氧層失效[2]。

⑦熱跑脫：MOSFET 工作在線性區(qū)時(shí)電流增加和溫度升高形成正反饋導(dǎo)致管子溫度迅速升高最終超過節(jié)溫而損壞。

⑧過功率：MOSFET 工作時(shí)消耗在MOSFET 上的功耗超過額定功率而導(dǎo)致產(chǎn)生的溫升超過最大節(jié)溫：Tj＞Tjmax。比如驅(qū)動(dòng)電阻異常時(shí)開通或者關(guān)斷的速度變慢，開關(guān)過程中的損耗增大。

3 問題排查

通過如下幾個(gè)維度對(duì)故障進(jìn)行全面分析：

①元器件系統(tǒng)選型方案合理性：通過MOS 器件Vds端電壓、Id電流、功率發(fā)熱損耗計(jì)算溫升對(duì)表面Tcase、Tjmax等選型均有余量，綜合來看選型無問題；

②電路保護(hù)設(shè)計(jì)合理性排查：通過電磁兼容試驗(yàn)報(bào)告排查輻射傳導(dǎo)、靜電ESD 結(jié)果均是通過；其次確認(rèn)12V 電池側(cè)壓波形時(shí)是否發(fā)會(huì)造成MOSFET 元器件過壓（充放電線束過長(zhǎng)），通過復(fù)測(cè)拋負(fù)載驗(yàn)證結(jié)果均通過（如下圖1）；

圖1 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

③實(shí)車模擬測(cè)試：車輛正常進(jìn)行點(diǎn)火、加用電器負(fù)載、多種道路路試、模擬蓄電池負(fù)極斷開等操作，MOSFET 管波形平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)異常波形（如下圖2）；

圖2 實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 過欠壓采集數(shù)據(jù)

④臺(tái)架模式測(cè)試：

3.1 散熱膠對(duì)產(chǎn)品影響：首先進(jìn)行EOL 測(cè)試記錄結(jié)果，去掉PCBA 背面的散熱膠，重新連接設(shè)備，測(cè)試5min，樣件EOL無故障，結(jié)論：散熱膠對(duì)MOS 過熱燒毀影響較小。

3.2 過壓欠壓對(duì)產(chǎn)品的影響：

排查步驟：1.在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，通過分別調(diào)節(jié)12V 輸出端、48V 輸入端電壓值，確認(rèn)是否會(huì)觸發(fā)9496 故障；

2.觸發(fā)9496 故障后再將電壓調(diào)節(jié)回正常范圍，確認(rèn)9496 故障能否自恢復(fù)，DCDC 是否可以正常工作；

排查結(jié)果：1.當(dāng)輸入端、輸出端電壓過大或過低時(shí)，可以觸發(fā)0A9496 故障；

2.觸發(fā)0A9496 故障之后再調(diào)整電壓回到正常范圍內(nèi)，0A9496 故障會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，反復(fù)測(cè)試多次，DCDC 均可正常工作；說明DCDC 產(chǎn)品在短時(shí)過欠壓有自修復(fù)功能，且不會(huì)燒蝕MOSFET。

⑤工藝規(guī)范性檢查：主要從EOL 測(cè)試時(shí)48V/12V/GND 是否存在接反情況、EOL 測(cè)試程序異常、產(chǎn)線老化測(cè)試檢測(cè)波形異常等方面，排查發(fā)現(xiàn)滿負(fù)載工況下退出buck 模式時(shí)，MOSFET 兩端電壓、電流有一定的波形抖動(dòng)（如下圖4、圖5），但依然在MOSFET正常承受范圍內(nèi)，后續(xù)可對(duì)EOL 流程進(jìn)行優(yōu)化，退出Buck 模式時(shí)，先漸進(jìn)式降負(fù)載，然后再退出Buck 模式。

圖4 EOL 采樣數(shù)據(jù)

圖5 老化采樣數(shù)據(jù)

⑥質(zhì)量排查：不同廠家的MOSFET 零部件混裝排查、工廠ESD 防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)控制程序排查、SMT 產(chǎn)線符合量產(chǎn)工藝要求，MOSFET 來料質(zhì)量等方面排查。

⑦故障件返廠檢測(cè)：因樣件燒蝕嚴(yán)重（如下圖6 所示），反饋結(jié)果為EOS（Electrical Over Stress），可能是在burn in 中誤操作引起EOS，導(dǎo)致MOSFET 損壞。

圖6 故障件燒蝕點(diǎn)

⑨最終找到根本原因?yàn)楣S下線EOL 測(cè)試程序未按照軟件設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，在DCDC預(yù)充執(zhí)行過程中，Soft start 信號(hào)和Fast on信號(hào)被同時(shí)拉高，此時(shí)UHV 有明顯電壓波動(dòng)（如圖7 所示），瞬時(shí)電壓47V（實(shí)際MOSFET 只 能 承 受40V），導(dǎo) 致MOSFET被擊穿損壞。

圖7 異常電壓抓取

4 優(yōu)化方案

按照需求定義，當(dāng)接到預(yù)充命令時(shí)，先將Softstart 信號(hào)拉高執(zhí)行軟起動(dòng)，目的是為了Safety Mos 閉合過程中線性工作區(qū)起限流用，然后再拉高 Fast on 信號(hào)；避免瞬時(shí)大電壓。優(yōu)化后產(chǎn)品波形如圖8 所示。

圖8 線性拉升的電壓

5 總結(jié)

綜上DCDC 硬件故障問題方案解決方案如下：

（1）產(chǎn)品硬件電路設(shè)計(jì)上，合理的電路元器件選型，并在電路設(shè)計(jì)中增加防浪涌結(jié)構(gòu)，如增加TVS 管或熱敏電阻等方案，滿足瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度等方面的電性能相關(guān)要求；合理的熱設(shè)計(jì)余量及水路設(shè)計(jì)，確保元器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)散掉。

（2）軟件控制邏輯上，采用兩級(jí)預(yù)充功能，當(dāng)接到預(yù)充命令時(shí)，需先將Softs tart 信號(hào)拉高執(zhí)行軟起動(dòng)，目的是為了Safety MOS閉合過程中線性工作區(qū)起限流作用，然后再拉高Fast on 信號(hào)；

（3）產(chǎn)線控制，符合設(shè)計(jì)要求的工藝規(guī)范，ESD 防護(hù)、EOL 下線及產(chǎn)線老化檢測(cè)程序優(yōu)化，防止突變波形對(duì)產(chǎn)品造車損傷，例如退出Buck 模式時(shí)，先漸進(jìn)式降低負(fù)載，然后再退出Buck 模式等。