星载DC－DC电源转换器总剂量辐射损伤效应研究

高 博，余学峰，任迪远，李豫东，李茂顺，崔江维，王义元，吾勤之，刘伟鑫

（1.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院研究生院，北京 100049；4.上海航天技术研究院 第八○八研究所，上海 201109）

自20世纪80年代以来，随着分布式供电系统的出现，DC－DC电源转换器得到了广泛应用，尤其是功耗低、重量轻、效率高、可靠性高等特点，使得它在航空航天电子控制系统中有着很大的发展前景。DC－DC电源转换器应用于航空航天电子系统时，在其供电的系统中，电压最高、电流最大，是系统中出现问题影响最严重的器件［1－2］。同时，由于空间存在大量的带电粒子及射线，当DC－DC电源转换器应用于航空航天电子系统时，会受到自然辐射的影响，引起电参数的变化，严重时可能导致器件功能失效，进而影响卫星的可靠性，缩短卫星的使用寿命。因此，为在航空航天电子系统中更好地运用星载DC－DC电源转换器，需研究它的辐射损伤效应，了解其抗辐射性能。

本文对国外某公司低功率、双输出型DC－DC电源转换器在不同负载（空载、1／4功率负载、1／2功率负载、满功率负载）、不同输入电压（最小输入电压、典型输入电压、最大输入电压）条件下的输入电流Iin、正路／负路输出电压Vout、正路输出电流Iout、抑制模式下的输入电流Iinhibit等参数进行测试，研究星载DC－DC电源转换器总剂量辐射损伤效应，对器件抗辐射保障技术提供指导，为该型号DC－DC电源转换器在航空航天中的应用提供参考。

1 样品与实验

DC－DC电源转换器的工作原理是将一种直流电压通过由脉冲信号控制的功率开关管转换为交流，再经过输出整流滤波转换为另外一种（固定的或可调的）直流电压，以实现直流功率转换［2］。

实验样品是美国VPT公司生产的H级小功 率 DC－DC 电 源 转 换 器，15W 的DVHF2812DF 和 30W 的 DVTR2815DF［3］。电离辐照实验在中国科学院新疆理化技术研究所2.59×1015Bq的60Coγ射线源上进行，辐照总剂量达到4×102Gy（Si）。利用FeSO4热释光剂量片对剂量率进行标定，辐照剂量率为0.5Gy（Si）／s。

按照国家军用标准《半导体器件辐射加固实验方法γ总剂量辐射实验》（GJB548B－1019），对器件进行辐照及退火实验。器件进行总剂量4×102Gy（Si）的辐照实验，辐照后先对器件进行电参数测试，然后在室温下退火24h，再对器件追加总剂量的50%（2×102Gy（Si））辐照，最后进行80℃高温退火实验。辐照和退火时器件的偏置条件相同，即受试器件处于1／2功率负载偏置条件下：受试器件的电源电压输入端施加28V直流电压，控制端按规定施加相应的电平或空置，输出端接1／2功率负载电阻。测量参数包括：Iin、Vout、Iout、Iinhibit，测量时间不超过30min。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

图1示出不同负载、不同输入电压下器件的输出电压Vout随总剂量、退火时间的变化关系。由图1可看出，DVTR2815DF型DC－DC电源转换器的输出电压随总剂量、退火时间无明显变化，经过4×102Gy（Si）总剂量辐照后，DVHF2812DF型DC－DC电源转换器的输出电压无明显变化，但在随后的室温退火中满功率负载下的输出电压出现了不同程度的后损伤效应，下降近15%。追加剂量辐照时，除满功率负载下的输出电压继续减小外，1／4功率负载、1／2功率负载下的输出电压也发生了不同程度的变化，但高温退火24h输出电压恢复正常。满功率负载下输出电压衰减得最严重。

图2、3为不同负载、不同输入电压下器件的Iin、Iout随总剂量、退火时间的变化关系。从图中可看到，DVTR2815DF型DC－DC电源转换器的Iin、Iout随总剂量、退火时间无明显变化。DVHF2812DF型DC－DC电源转化器在追加50%剂量辐照时，除空载条件下的Iin无明显变化外，其他负载条件下Iin随总剂量的增加而

减小，有的下降了70%左右，高温退火24h后恢复至初始值附近。Iout在追加50%剂量时发生了不同程度的减小，同样在高温退火24h后恢复至初始值附近。

图3 输出电流Iout随总剂量、退火时间的变化关系Fig.3 Output currents versus total dose and annealing time

图4示出不同负载、不同输入电压时器件Iinhibit随总剂量、退火时间的变化关系。从图中可看到，Iinhibit随着追加剂量的增加而增大，高温退火24h后恢复到初始值附近。

图4 抑制模式下输入电流Iinhibit随总剂量、退火时间的变化关系Fig.4 Input current of inhibition mode versus total dose and annealing time

2.2 讨论

电离总剂量辐射效应主要是带电粒子（如低能电子、质子等）、X、γ射线与 MOS器件中栅介质作用的结果。光子和带电粒子在电离辐射作用下，通过物体时被吸收或减速将损失的能量传递给原子，原子电离产生电子空穴对，这些电子空穴对通过复合、漂移、扩散、积累等，从而在SiO2绝缘层中产生氧化物陷阱电荷并在Si－SiO2界面产生界面态陷阱电荷，导致 MOS器件构成的集成电路的性能参数显著变化，以致功能失效［4－5］。

功率 MOSFET是DC－DC电源转换器中对电离辐射较为敏感的器件［6－9］。辐照时，由于氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷共同作用，使得功率MOSFET的阈值电压负向漂移，但由于功率MOSFET栅氧化层较厚，同时栅极正偏，导致栅氧化层中俘获的氧化物陷阱电荷数量很多，远大于界面陷阱电荷对阈值电压漂移产生的影响。由于栅氧化层正的氧化物电荷的累积，功率MOSFET的开启电压在辐照时随着总剂量的增加表现为负向漂移，从而导致功率MOSFET阈值电压的严重退化。DVHF2812DF型DC－DC电源转化器的电参数在追加剂量辐照时发生了明显的漂移。我们认为，在前期辐照时积累的大量氧化物正电荷在室温时退火的数量很少，导致追加辐照时和新产生的氧化物正电荷共同作用使得器件的参数发生大的变化。辐射诱导空穴的退火可分为隧道退火和热激发退火两种模型［10］，实验中忽略了因电场引起势垒降低而引发的隧道注入。在热发射模型中，氧化物正电荷激发到价带的几率与陷阱相对于SiO2价带的能量成指数关系。热发射退火以热发射前沿Φm（t）为其特征：

式中：T为绝对温度；K为玻尔兹曼常数；q为基本电荷；A为与空间俘获截面有关的参数。

所有能量小于Φm的空穴被热发射退火，而大于Φm的空穴仍被陷阱俘获。室温退火时，氧化层中大量靠近界面较浅能级的亚稳态俘获空穴的能量小于Φm，发生退火，迅速被激发到价带，可能随机跃迁进入界面和衬底。实验中只有少量的浅能级俘获空穴在室温中退火，大量深能级俘获空穴由于能量大于Φm继续被俘获，因此，深能级俘获空穴的数量远多于浅能级。功率MOSFET的栅氧层很厚，同样也说明了被俘获的空穴位于深能级的较多。在追加辐照时，新俘获的空穴和未退火的深能级俘获空穴共同作用，使得器件的电参数发生显著变化。同时，在高温退火初期，参数恢复到正常值附近，说明深能级俘获空穴随着温度的升高快速退火，用热激发模型可很好地解释这一现象。

DVTR2815DF型DC－DC电源转换器的输入电流、输出电流和输出电压在辐照和退火过程中无明显变化，只有抑制模式下输入电流在追加50%总剂量辐照时，出现了明显的增大。相比其他电参数，抑制模式下输入电流在总剂量辐照时更加敏感，在评估辐射性能时应引起足够的注意。对于DVHF2812DF型DC－DC电源转换器在追加50%总剂量辐照时，电参数均出现了不同程度的退化。虽然40W以下的小功率模块设计上全部采用了反激拓扑结构，但两个不同型号电源模块的功率不同。因此，导致了实验结果的不同，这与文献［3］叙述的不一致，对其考核抗辐射能力时，应区别对待。在满载情况下输出电压退化最严重，这与文献［3］中提到的一致。

在不同输入电压、相同负载条件下器件参数随总剂量、退火时间的变化趋势是一致的，而在相同输入电压、不同负载条件下参数的变化差异很大。满功率负载条件下，器件参数随总剂量、退火时间的变化最明显。这主要是由于在满功率负载条件下，负载电阻最小，输出的电流最大，而此时DC－DC电源转换器中对辐射损伤最敏感的功率MOSFET开启时所需的开启电压随辐照剂量变化最灵敏。辐照引起开启电压微小的差异均会在输出端产生很大的变化，这就是在满功率负载条件下，器件参数随总剂量、退火时间变化的最明显的原因。同时在空载条件下，功率MOSFET未开启，因此此时参数随总剂量、退火时间的变化不明显。

3 结论

在不同负载、不同输入电压条件下，测试了器件Iin、Vout、Iout、Iinhibit随总剂量、退火时间的变化关系。抑制模式下输入电流随总剂量、退火时间的变化是较敏感的参数，不同型号的器件在追加辐照时均发生了显著变化，考核器件抗辐射能力时，应对其进行测试。由于氧化物正电荷的积累，且在室温退火时较深能级的俘获空穴未退火，导致在追加剂量时器件的参数发生明显变化。同时，在高温退火初期，参数恢复到正常值附近，也说明深能级俘获空穴的退火和温度有很大的关系，用热激发模型可很好地解释这一现象。满功率负载下器件的参数随总剂量的变化最大。

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