基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元研究

摘要

DC/DC转换器作为二次电源广泛应用于太空辐射环境下，其辐射损伤可靠性成为亟待解决的问题。传统的辐射加固设计和筛选方法存在生产周期长，成本高，性能落后等缺点。本文探索采用ePHM方法来解决DC/DC转换器辐射损伤可靠性问题。 本文对DC/DC转换器及其内部易损单元之一—VDMOSFT的辐射损伤机理和失效模式作了深入研究。设计并完成DC/DC转换器和VDMOSFET的γ射线辐照实验。在深入分析参数退化机理的基础上优选了敏感表征参量。然后建立基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预测模型。最后，依据此模型研制基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元。 理论研究表明辐射后，VDMOSFET出现阈值电压负漂、跨导退化、噪声增大等失效模式；DC/DC转换器出现效率降低、输出电压漂移、噪声增大等失效模式。VDMOSFET阈值电压负漂引起DC/DC转换器失效有两种模式。一是VDMOSFET阈值电压低于PWM输出电压低电位，不能脱离饱和区而失效；二是VDMOSFET阈值电压负漂引起漏端电流增加，致使DC/DC转换器转换效率降低。 本文设计并完成VDMOSFET和DC/DC转换器辐照实验，实验结果验证了理论研究成果。对比分析电参数和噪声参数，依据辐射损伤敏感表征参量选取原则，选取VDMOSFET的阈值电压和DC/DC转换器的输出电压、转换效率作为预兆单元用辐射损伤敏感表征参量；选取噪声幅值B为辐射损伤筛选、评价用敏感表征参量。 在深入研究VDMOSFET辐射参数退化对DC/DC转换器影响的基础上，本文建立了基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预测模型。理论计算和实验结果表明所建立的辐射损伤预测模型是正确的，能准确的反映DC/DC转换器的辐射损伤情况。 结合DC/DC转换器辐射损伤失效机理、失效模式与ePHM实现方法，确定采用参数监测的预兆单元方法。依据辐射损伤预测模型设计了基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射损伤预兆单元电路原理图和版图，模拟和分析表明所设计的预兆单元完全满足设计要求。设计的预兆单元在特许半导体成功流片，样品测试和辐照实验表明所设计的预兆单元成功实现了报警，达到设计要求。

目录

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1DC/DC转换器空间应用可靠性问题

1.1.2 PHM方法应用与意义

1.2电子器件和系统PHM方法的研究现状

1.3论文主要工作与结构

第二章 VDMOS器件与DC/DC转换器辐射损伤表征技术

2.1辐射失效机理与失效模式研究

2.1.1 VDMOSFET辐射失效机理与失效模式

2.1.2 DC/DC转换器辐射损伤失效机理与失效模式

2.1.3基于VDMOSFET的DC/DC转换器辐射失效机理分析

2.2 VDMOSFET辐照实验和表征参量优选

2.2.1辐照实验设计

2.2.2 VDMOSFET电参数退化

2.2.3 VDMOSFET噪声参数退化

2.2.4表征参量优选

2.3 DC/DC转换器辐照实验和表征参量选取

2.3.1验方案设计

2.3.2 DC/DC转换器电参数退化

2.3.3 DC/DC转换器噪声参数退化

2.3.4表征参量优选

2.4本章小结

第三章辐射损伤预测模型

3.1 DC/DC转换器与VDMOSFET之间的关系

3.2辐射损伤预测模型建立

2.2.1表征参量辐射退化函数关系建立

3.2.2表征参量间函数退化关系实验验证

3.3辐射损伤预测模型应用

3.3.1预兆单元设计的理论依据

3.3.2用于辐射加固

3.4本章小结

第四章预兆单元设计与验证

4.1预兆单元设计思路和预警方案

4.2预兆单元电路与版图设计

4.3模拟与实验验证

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1论文总结

5.2展望

致谢

参考文献

作者在读期间研究成果