電動化趨勢下，汽車半導體的搭載量提升了一倍，而智能化會促使這一數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增長的狀態(tài)，這其中，相較于傳感器和MCU，功率半導體的占比有更明顯的提升：從21%提升至55%。

因此，發(fā)展車規(guī)級功率半導體的全國產(chǎn)化方案，打破技術(shù)壟斷無疑已成為迫切需求。

2022年12月7-8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會上，納芯微電子技術(shù)市場經(jīng)理方舟透露，納芯微電子的第三代驅(qū)動產(chǎn)品將適配800V平臺，支持碳化硅的多管并聯(lián)，實現(xiàn)200-300kW的峰值功率。

方 舟 | 納芯微電子技術(shù)市場經(jīng)理

納芯微電子簡介

納芯微是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片設(shè)計公司，自2013年成立以來，公司聚焦信號感知、系統(tǒng)互聯(lián)、功率驅(qū)動三大方向，提供傳感器、信號鏈、隔離、接口、功率驅(qū)動、電源管理等豐富的半導體產(chǎn)品及解決方案，并被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制、信息通訊及消費電子領(lǐng)域?，F(xiàn)有員工中超過50%為研發(fā)人員，主要是芯片設(shè)計、封裝測試等領(lǐng)域的人才，我們是國內(nèi)的第一家做車規(guī)級數(shù)字隔離產(chǎn)品的公司，目前我們的隔離方案獲得了很多車廠OEM的認可。

2015年，我們公司發(fā)布了首款壓力傳感器，信號調(diào)理ASIC；2016年，我們發(fā)布了首款車規(guī)級芯片，成功通過了AEC-Q100的車規(guī)級認證，并且進入了車廠體系，早在2018年，我們的車規(guī)級芯片就實現(xiàn)了批量裝車。

2019-2022年，納芯微的產(chǎn)品在汽車市場的應(yīng)用快速鋪開，特別是在新能源汽車三電領(lǐng)域。這一成就的主要原因在于：2017年，納芯微電子開發(fā)了首款數(shù)字隔離器，為之后的其他產(chǎn)品奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，成功打破了頭部企業(yè)對隔離器這一品類的壟斷狀態(tài)，實現(xiàn)了供應(yīng)鏈、封裝國產(chǎn)化，性能上可以和國際品牌媲美。

2020-2021年，我們陸續(xù)推出隔離驅(qū)動和隔離放大器，全品類車規(guī)級隔離產(chǎn)品量產(chǎn)，并量產(chǎn)了首款霍爾電流傳感器。2019-2020年實際上是一個汽車的“缺貨”年，一方面這背后有很多產(chǎn)能錯配的因素。另一方面，新能源車的發(fā)展也帶動了車用半導體器件在汽車應(yīng)用數(shù)量的快速增長。

這種錯配會給半導體行業(yè)的發(fā)展帶來什么？首先，我們需要分析錯配和汽車半導體數(shù)量快速增加的原因。

相較傳統(tǒng)燃油車，電動車在半導體芯片上的使用數(shù)量實現(xiàn)了2倍以上的增長，而智能車所需的半導體將是燃油車的8-10倍，這一需求量的背后是半導體結(jié)構(gòu)和工藝要求的變化。

從整個工藝看，和傳統(tǒng)燃油車相比，功率半導體在整車的占比從原本的21%提升至55%，但是要注意的是，市場對于芯片工藝的需求是不同的，比如14-17nm的制程，再比如對單片集成工藝BCD的需求，這背后就會產(chǎn)生資源的錯配，這是2019-2020年出現(xiàn)缺芯潮的重要原因。

納芯微電子的隔離核心技術(shù)

針對電驅(qū)和新能源總成，我們公司有四大類產(chǎn)品，分別是傳感器類、信號鏈、隔離與接口、電源與驅(qū)動。在未來，我們會進一步加大在電驅(qū)上的應(yīng)用，開發(fā)出專門針對第三代半導體和高性能高功率IGBT的整體驅(qū)動解決方案，這是我們公司針對新能源總成的四大類產(chǎn)品類型，這些產(chǎn)品背后的技術(shù)基礎(chǔ)源自于我們2017年自研的隔離技術(shù)。

說到隔離技術(shù)，先看一下電驅(qū)平臺里會用到的半導體方案。

我們公司已經(jīng)開發(fā)出了可以囊括所有電驅(qū)的全套高性能模擬芯片解決方案，我們也是國內(nèi)的第一家能夠提供車規(guī)級的全站解決方案的公司，特別是基于隔離方案的隔離驅(qū)動、電流采樣和隔離采樣，這是我們公司這一塊非常重要的三款產(chǎn)品。

從根源技術(shù)上講，在隔離品類都是基于相同的電容型隔離技術(shù)，接下來從原理上解釋這一隔離技術(shù)。

圖片來源: 納芯微電子

從左邊圖可以看到，我們所有隔離產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)內(nèi)部都是一個多級隔離帶的解決方案，在原副邊用CMOS工藝，用CMOS BCD去開發(fā)一定的調(diào)理和解調(diào)電路。

隔離帶的兩端用二氧化硅層，厚度大概是30微米，形成電容。由于電容天生就是隔直通交，所以需要信號去傳輸電容的時候，我們就會在發(fā)射端做一個調(diào)理電路，使用OOK的調(diào)制方式將電信號傳輸?shù)截摱恕?/p>

在后面同樣會做一個二氧化硅層，也是形成了一個電容層，在我們的規(guī)格書上可以看到兩端電容的容值，可以通過信號傳輸將高低電屏信號從原邊傳輸?shù)礁边叀?/p>

使用兩層電容的好處是：任意原邊或副邊出現(xiàn)短路，這一短路的高壓信號可以單獨地從副邊傳輸?shù)皆?，對人體和通信低壓域不會造成任何損壞。

以上實現(xiàn)隔離帶的原理，接下來談?wù)劶夹g(shù)指標。一是隔離層介質(zhì)，我們會選擇二氧化硅，二氧化硅的耐壓范圍最高可達500伏每微米，而我們的單電容隔離層厚度是30微米，完全可以承受1000伏以上的電壓。

終端客戶經(jīng)常會問到芯片到底能承受多少的工作電壓？這就需要引入一個特定的指標參數(shù)：輸入和輸出的可重復性工作電壓，在出廠時，我們都會去測試所有芯片的隔離耐壓標準。

另外一個值得一提的參數(shù)就是共膜瞬態(tài)電壓，考察干擾是否會帶給芯片影響，下圖這些指標都是數(shù)字隔離器的非常重要的衡量參數(shù)。

除了這些參數(shù)，另外一個問題就是：如何保證量產(chǎn)產(chǎn)品隔離帶是否能夠滿足這些基本參數(shù)指標？

實際上，行業(yè)內(nèi)有一個德國VDE 0884-11的認證指標，這一測試中有提到基于行業(yè)安全規(guī)范的TDDB數(shù)據(jù)分析。

值得強調(diào)的是，一旦一款通過了TDBB測試，這意味著這一芯片的生命周期失效率小于1個PPM，如果芯片規(guī)格數(shù)寫的是1000伏隔離電壓，這一測試可以保證這顆芯片在37.5年持續(xù)承受高壓的情況下，將失效率控制在百萬分之一。

目前，我們的所有隔離芯片都可以提供VDE認證證書，是目前所有國產(chǎn)車規(guī)產(chǎn)品里面第一家，也是唯一一家拿到VDE證書的公司。

圖片來源: 納芯微電子

納芯微電子的驅(qū)動技術(shù)

以上介紹的主要是產(chǎn)品背后的核心隔離技術(shù)，回歸到產(chǎn)品本身，第二個非常重要的底層技術(shù)就是驅(qū)動。

目前，我們有兩代隔離驅(qū)動產(chǎn)品，第一代是簡單型隔離驅(qū)動，分為單管和雙管，終端功率器件可以是IGBT和SiC，同時兼容電壓型輸入和電流型輸入，也就是兼容傳統(tǒng)光耦的驅(qū)動方案。

為了支持在數(shù)字電源和OBC領(lǐng)域里的高頻開關(guān)，我們將芯片輸入輸出的延遲、不同通道間的匹配都控制在100納秒以下，可以支持100-200K赫茲斬波頻率。峰值電流達到做到4-5A，支持到11千瓦到幾十千瓦級別的產(chǎn)品。

2021年，我們推出了ISO Smart Driver第二代，將峰值驅(qū)動電流提升到10A，并且這顆產(chǎn)品同時支持IGBT模塊和碳化硅模塊，可以讓終端Tier 1將芯片應(yīng)用到更廣泛的場景中去。未來，我們正在開發(fā)第三代產(chǎn)品，會支持800伏的高壓平臺，支持碳化硅的多管并聯(lián)，可以支持更大的電驅(qū)功率，峰值功率達到200-300kW。

在保護功能上，我們的第二代產(chǎn)品就已經(jīng)將過飽軟關(guān)斷等保護集成在芯片內(nèi)部，對下一代產(chǎn)品的功能安全有非常大的幫助。

納芯微電子電流采樣的相關(guān)產(chǎn)品

電流采樣產(chǎn)品也非常重要。如果從整個系統(tǒng)去看，電驅(qū)里面會包含母線電壓的過壓保護和監(jiān)控，實際上要使用磁傳感器的方式檢測電流。目前我們是能夠同時提供隔離運放的采樣方式和磁電流采樣方式的唯一一家國內(nèi)供應(yīng)商。

在磁電路檢測這塊，我們提供兩種方案，目前國內(nèi)使用最多的還是用磁環(huán)方式：中間通過Busbar將電流導通到電機上，會加一個磁環(huán)，把所有磁場鎖定在上面，通過對磁環(huán)上磁場的變化監(jiān)測，去實現(xiàn)對電流的監(jiān)測。另一個方案是：直接在Busbar上進行挖槽，做一個平面的磁場實現(xiàn)電流監(jiān)測的。

采樣這部分也是提供兩代產(chǎn)品，第一代產(chǎn)品主要包含隔離型電壓和隔離型電流的采樣，在電壓采樣端，我們提供1311系列解決方案，可以通過檢測單端電壓，實現(xiàn)過壓保護和母線電壓監(jiān)控的功能。

總而言之，納芯微電子的業(yè)務(wù)覆蓋前端設(shè)計、車載晶圓的封裝、可靠性測試、最終量產(chǎn)，各項環(huán)節(jié)都會嚴格按照車規(guī)級的要求進行設(shè)計、制作與測試，能夠滿足客戶在全套流程中的各項要求。2019-2021年是國內(nèi)半導體公司進入車載領(lǐng)域的重要窗口期，經(jīng)過這關(guān)鍵的2年，在競爭日益激烈的當下，納芯微電子希望用最優(yōu)秀的質(zhì)量去贏得客戶與市場的認可。

（以上內(nèi)容來自納芯微電子技術(shù)市場經(jīng)理方舟于2022年12月7-8日由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會上發(fā)表的《適用于電控系統(tǒng)的一站式功率驅(qū)動與信號采樣國產(chǎn)解決方案》主題演講。）

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