納芯微隔離和驅(qū)動技術(shù)為SiC+800V電驅(qū)動賦能

當(dāng)前，以新能源汽車為代表的新興汽車正在迅速替代傳統(tǒng)的燃油車，雖然新能源汽車正在成為更多人的選擇，但毋庸置疑，它在消費(fèi)者體驗(yàn)方面仍有痛點(diǎn)，一是充電不方便或充電比較慢，二是續(xù)航里程不夠。

要拓寬未來的新能源汽車市場，就需要從電氣化效率入手加以解決，而當(dāng)前重要的趨勢是采用800V電氣架構(gòu)+碳化硅功率器件，其中隔離和驅(qū)動技術(shù)不可或缺。

電驅(qū)動發(fā)展的新趨勢

電驅(qū)動的趨勢首先是發(fā)展高壓架構(gòu)，在充電電壓提升、充電電流不變的條件下提高充電功率，以期達(dá)到充電5分鐘續(xù)航200公里的目標(biāo)。目前，國內(nèi)外一些車型已經(jīng)在使用超級充電樁，800V母線電壓也得到了不少車型的應(yīng)用和量產(chǎn)。市場研究顯示，到2025年，預(yù)計(jì)800V高壓架構(gòu)的新能源汽車銷量將達(dá)到100萬臺左右，三年CAGR（復(fù)合年均增長率）將達(dá)到270%；2025年，全球搭載800V架構(gòu)的新能源汽車銷量有望達(dá)到200萬臺。

第二個(gè)趨勢是采用高壓碳化硅功率器件，其優(yōu)勢在于，第三代半導(dǎo)體器件具有高耐壓、低導(dǎo)通損耗、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，有助于提升電驅(qū)動效率，還可以優(yōu)化電驅(qū)動重量，提升10%-15%的續(xù)航里程。

在新能源汽車的電機(jī)控制器中，電力轉(zhuǎn)換是通過控制IGBT的開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。受制于材料本身的局限性，IGBT較難在200℃以上溫度下工作。高功率密度的電機(jī)控制器需要高效的電力轉(zhuǎn)換效率和更高的工作溫度，這對功率器件提出了更高的要求，如更低的導(dǎo)通損耗、耐高溫、高導(dǎo)熱能力等。

從采用傳統(tǒng)硅基MOSFET或IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅功率器件，可以將整個(gè)模塊的重量減輕近一半。一些客戶研發(fā)的全碳化硅平臺可以減重9公斤，最大功率可以達(dá)到220kW，尺寸縮小將近40%。

上述兩大趨勢對隔離IC和驅(qū)動IC提出了新的更高的要求。首先是800V高壓平臺的三電系統(tǒng)（包括OBC、DC-DC、BMS），還有空壓機(jī)、PTC、電驅(qū)動的電壓等級都會隨之提升。

新能源汽車?yán)锏母綦x與驅(qū)動技術(shù)

新能源汽車的隔離首先是基于安規(guī)要求，在400V-800V電池電壓下保護(hù)人身和設(shè)備安全，處理器等弱電器件也需要隔離芯片做到和高壓側(cè)進(jìn)行電氣隔離；二是共地需求，需要用隔離器件來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能；三是高抗噪需求，以實(shí)現(xiàn)更高的CMTI（共模抑制比）抗擾能力，避免出現(xiàn)大的噪聲干擾，導(dǎo)致功率管誤開通；特別是碳化硅的應(yīng)用會使開關(guān)頻率上升，出現(xiàn)比較大的dv/dt噪聲。

爬電也是安規(guī)要求之一，它代表芯片封裝表面產(chǎn)生閃絡(luò)或擊穿（起痕）的距離，在新能源汽車高壓三電系統(tǒng)中常見的爬電距離是8毫米的隔離器件，隨著三電系統(tǒng)向800V電壓升級，爬電距離也會上升。

此外，大峰值輸出電流需要導(dǎo)通電流更大的開關(guān)管，以滿足快速開通關(guān)斷功率管的要求。新能源汽車依靠電動空壓機(jī)驅(qū)動，主電機(jī)驅(qū)動、PTC也需要有高壓電氣隔離。

目前，業(yè)界有幾種主流隔離技術(shù)，納芯微采用基于容耦的電容隔離技術(shù)。相比光耦，容耦的傳輸速率更高，容易達(dá)到Mbps以上的通信速率。光耦雖然也可以做到，但是速率的提升要以成倍增加的成本為代價(jià)。另外，光耦受封裝工藝限制，不太容易將多個(gè)隔離通道集成在一個(gè)芯片中，而電容隔離很容易將六通道、八通道隔離集成在一個(gè)芯片中。另外，容耦沒有溫漂和光衰的困擾，工作溫度范圍更寬。

磁耦的原理是通過磁通量的變化來傳遞信號，容耦是通過電場，在低輻射方面具有優(yōu)勢。

在電容隔離芯片中，隔離電容分別位于兩個(gè)分離的裸片上。由于采用性能優(yōu)越的增強(qiáng)隔離工藝技術(shù)進(jìn)行電氣隔離，兩個(gè)電容極板串聯(lián)在一起，以增強(qiáng)型架構(gòu)實(shí)現(xiàn)隔離。其中間的隔離介質(zhì)是二氧化硅，是一種隔離強(qiáng)度更高的隔離介質(zhì)，每微米隔離耐壓能力可達(dá)400V以上，是光耦所使用的隔離介質(zhì)環(huán)氧樹脂的5-6倍。理論上，30微米的隔離柵厚度就可以達(dá)到10kV以上的隔離耐壓。實(shí)際測試的60秒耐壓也可以達(dá)到12kV水平。另外，電容隔離每通道的差分傳輸架構(gòu)也有助于提高共模噪聲抑制能力。

在共模抑制方面，需要采用調(diào)制方式，即將一個(gè)輸入信號通過調(diào)制在電容或其他介質(zhì)中進(jìn)行傳輸。業(yè)界主流做法通常是采用OOK編碼方式，將一個(gè)輸入信號調(diào)制到400多兆載波，然后在電容中間傳輸。納芯微通過自有專利（Adaptive OOK）在OOK編碼方案上又做了電路優(yōu)化，進(jìn)一步提高了隔離器的抗共模噪聲能力。相對其他兩種方式，OOK編碼調(diào)制方式的優(yōu)勢在于抗共模抑制能力強(qiáng)。

納芯微的產(chǎn)品具有12kVrms高耐壓隔離能力、EMC性能和＞12kV浪涌及雙邊ESD＞10kV的能力。這些產(chǎn)品均獲得了UL/CUL/VDE/CQC等業(yè)界主流的安規(guī)認(rèn)證。

納芯微從最開始的數(shù)字隔離芯片到隔離電源，包括隔離采樣、隔離驅(qū)動，還有一些接口相關(guān)產(chǎn)品和車規(guī)隔離器件，現(xiàn)在都已經(jīng)全面量產(chǎn)。

第三代半導(dǎo)體對隔離器件的要求更高，開關(guān)頻率已從硅基的10kHz提升到碳化硅的100kHz量級，隔離耐壓提升到1000V以上。

另外，碳化硅器件對數(shù)字隔離器的要求是開關(guān)頻率變高了，傳輸速率也要提升，共模抑制能力至少要大于100kV/微秒，納芯微的隔離器件可以達(dá)到150kV甚至200kV的水平。

在新一代電驅(qū)動開發(fā)平臺中，在選擇合適的碳化硅功率管驅(qū)動芯片時(shí)，CMTI、寬柵極電壓擺幅、大峰值輸出電流、快速上升下降時(shí)間，以及快速短路保護(hù)、軟關(guān)斷能力，都是需要考慮的隔離驅(qū)動芯片的關(guān)鍵指標(biāo)。

納芯微的系統(tǒng)和產(chǎn)品方案

在新能源汽車電驅(qū)動主電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用方面，納芯微已經(jīng)量產(chǎn)的隔離驅(qū)動產(chǎn)品包含NSi6611和NSi6651智能保護(hù)增強(qiáng)型隔離驅(qū)動，以及增強(qiáng)型數(shù)字隔離器、增強(qiáng)型的隔離采樣。

除了驅(qū)動外，三電系統(tǒng)總線的電壓或電流隔離采樣有NSi1311和NSi1300等，市場占有率都比較高。

NSi82是納芯微最早推出的車規(guī)級數(shù)字隔離產(chǎn)品，覆蓋1-6通道方案，采用不同封裝，如窄體8、寬體8，寬體16，同時(shí)包括匹配800V應(yīng)用、爬電距離15毫米的超寬體隔離器件。此外，還有一些接口產(chǎn)品，如用于CAN的1042、1051、1043以及馬上將出樣的1145。

增強(qiáng)型隔離的主要優(yōu)勢在于隔離工作電壓，具有一分鐘5000V的交流耐壓能力。NSi82增強(qiáng)型數(shù)字隔離器是明星產(chǎn)品，標(biāo)稱隔離電壓5000Vrms，在絕緣油中可測到12kV隔離耐壓，裕量非常充足，可靠性比較高。

由于隔離工作電壓長期施加在隔離柵兩端，時(shí)間長達(dá)20年甚至更長，需要能夠保證隔離器的失效率小于一個(gè)ppm。如果是基礎(chǔ)型隔離，這方面的要求要寬松很多，在失效率方面可能只要求小于1000ppm，相差了1000倍。

滿足車廠國產(chǎn)替代需求

納芯微的隔離和驅(qū)動產(chǎn)品主要應(yīng)用于OBC、DC-DC、主電機(jī)驅(qū)動、BMS和熱管理系統(tǒng)。納芯微的隔離和驅(qū)動技術(shù)在業(yè)界比較領(lǐng)先，且全國產(chǎn)供應(yīng)鏈供貨安全可靠。成熟的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和完善的智慧生產(chǎn)體系，不僅體現(xiàn)在AEC-Q100認(rèn)證方面，從產(chǎn)品定義開發(fā)到后道晶圓封裝都嚴(yán)格遵循車規(guī)流程和管控理念。