電動(dòng)化趨勢(shì)下，汽車半導(dǎo)體的搭載量提升了一倍，而智能化會(huì)促使這一數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的狀態(tài)，這其中，相較于傳感器和MCU，功率半導(dǎo)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(jí)功率半導(dǎo)體的全國(guó)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(dòng)及關(guān)鍵技術(shù)大會(huì)上，納芯微電子技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理方舟透露，納芯微電子的第三代驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品將適配800V平臺(tái)，支持碳化硅的多管并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)200-300kW的峰值功率。

方 舟 | 納芯微電子技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理

納芯微電子簡(jiǎn)介

納芯微是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)公司，自2013年成立以來，公司聚焦信號(hào)感知、系統(tǒng)互聯(lián)、功率驅(qū)動(dòng)三大方向，提供傳感器、信號(hào)鏈、隔離、接口、功率驅(qū)動(dòng)、電源管理等豐富的半導(dǎo)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(fèi)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(jì)、封裝測(cè)試等領(lǐng)域的人才，我們是國(guó)內(nèi)的第一家做車規(guī)級(jí)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(rèn)可。

2015年，我們公司發(fā)布了首款壓力傳感器，信號(hào)調(diào)理ASIC；2016年，我們發(fā)布了首款車規(guī)級(jí)芯片，成功通過了AEC-Q100的車規(guī)級(jí)認(rèn)證，并且進(jìn)入了車廠體系，早在2018年，我們的車規(guī)級(jí)芯片就實(shí)現(xiàn)了批量裝車。

2019-2022年，納芯微的產(chǎn)品在汽車市場(chǎng)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(duì)隔離器這一品類的壟斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)鏈、封裝國(guó)產(chǎn)化，性能上可以和國(guó)際品牌媲美。

2020-2021年，我們陸續(xù)推出隔離驅(qū)動(dòng)和隔離放大器，全品類車規(guī)級(jí)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(shí)際上是一個(gè)汽車的“缺貨”年，一方面這背后有很多產(chǎn)能錯(cuò)配的因素。另一方面，新能源車的發(fā)展也帶動(dòng)了車用半導(dǎo)體器件在汽車應(yīng)用數(shù)量的快速增長(zhǎng)。

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

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

從整個(gè)工藝看，和傳統(tǒng)燃油車相比，功率半導(dǎo)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(chǎng)對(duì)于芯片工藝的需求是不同的，比如14-17nm的制程，再比如對(duì)單片集成工藝BCD的需求，這背后就會(huì)產(chǎn)生資源的錯(cuò)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(duì)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(hào)鏈、隔離與接口、電源與驅(qū)動(dòng)。在未來，我們會(huì)進(jìn)一步加大在電驅(qū)上的應(yīng)用，開發(fā)出專門針對(duì)第三代半導(dǎo)體和高性能高功率IGBT的整體驅(qū)動(dòng)解決方案，這是我們公司針對(duì)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(tái)里會(huì)用到的半導(dǎo)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(guó)內(nèi)的第一家能夠提供車規(guī)級(jí)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(dòng)、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(gè)多級(jí)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(hào)去傳輸電容的時(shí)候，我們就會(huì)在發(fā)射端做一個(gè)調(diào)理電路，使用OOK的調(diào)制方式將電信號(hào)傳輸?shù)截?fù)端。

在后面同樣會(huì)做一個(gè)二氧化硅層，也是形成了一個(gè)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(hào)傳輸將高低電屏信號(hào)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(hào)可以單獨(dú)地從副邊傳輸?shù)皆?，?duì)人體和通信低壓域不會(huì)造成任何損壞。

以上實(shí)現(xiàn)隔離帶的原理，接下來談?wù)劶夹g(shù)指標(biāo)。一是隔離層介質(zhì)，我們會(huì)選擇二氧化硅，二氧化硅的耐壓范圍最高可達(dá)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(huì)問到芯片到底能承受多少的工作電壓？這就需要引入一個(gè)特定的指標(biāo)參數(shù)：輸入和輸出的可重復(fù)性工作電壓，在出廠時(shí)，我們都會(huì)去測(cè)試所有芯片的隔離耐壓標(biāo)準(zhǔn)。

另外一個(gè)值得一提的參數(shù)就是共膜瞬態(tài)電壓，考察干擾是否會(huì)帶給芯片影響，下圖這些指標(biāo)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(gè)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(biāo)？

實(shí)際上，行業(yè)內(nèi)有一個(gè)德國(guó)VDE 0884-11的認(rèn)證指標(biāo)，這一測(cè)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(qiáng)調(diào)的是，一旦一款通過了TDBB測(cè)試，這意味著這一芯片的生命周期失效率小于1個(gè)PPM，如果芯片規(guī)格數(shù)寫的是1000伏隔離電壓，這一測(cè)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(rèn)證證書，是目前所有國(guó)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(dòng)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(gè)非常重要的底層技術(shù)就是驅(qū)動(dòng)。

目前，我們有兩代隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，第一代是簡(jiǎn)單型隔離驅(qū)動(dòng)，分為單管和雙管，終端功率器件可以是IGBT和SiC，同時(shí)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(dòng)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(dá)到做到4-5A，支持到11千瓦到幾十千瓦級(jí)別的產(chǎn)品。

2021年，我們推出了ISO Smart Driver第二代，將峰值驅(qū)動(dòng)電流提升到10A，并且這顆產(chǎn)品同時(shí)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(chǎng)景中去。未來，我們正在開發(fā)第三代產(chǎn)品，會(huì)支持800伏的高壓平臺(tái)，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(dá)到200-300kW。

在保護(hù)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(hù)集成在芯片內(nèi)部，對(duì)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(gè)系統(tǒng)去看，電驅(qū)里面會(huì)包含母線電壓的過壓保護(hù)和監(jiān)控，實(shí)際上要使用磁傳感器的方式檢測(cè)電流。目前我們是能夠同時(shí)提供隔離運(yùn)放的采樣方式和磁電流采樣方式的唯一一家國(guó)內(nèi)供應(yīng)商。

在磁電路檢測(cè)這塊，我們提供兩種方案，目前國(guó)內(nèi)使用最多的還是用磁環(huán)方式：中間通過Busbar將電流導(dǎo)通到電機(jī)上，會(huì)加一個(gè)磁環(huán)，把所有磁場(chǎng)鎖定在上面，通過對(duì)磁環(huán)上磁場(chǎng)的變化監(jiān)測(cè)，去實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)。另一個(gè)方案是：直接在Busbar上進(jìn)行挖槽，做一個(gè)平面的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)測(cè)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(cè)單端電壓，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)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(jì)、車載晶圓的封裝、可靠性測(cè)試、最終量產(chǎn)，各項(xiàng)環(huán)節(jié)都會(huì)嚴(yán)格按照車規(guī)級(jí)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試，能夠滿足客戶在全套流程中的各項(xiàng)要求。2019-2021年是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司進(jìn)入車載領(lǐng)域的重要窗口期，經(jīng)過這關(guān)鍵的2年，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)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(chǎng)的認(rèn)可。

（以上內(nèi)容來自納芯微電子技術(shù)市場(chǎng)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(dòng)及關(guān)鍵技術(shù)大會(huì)上發(fā)表的《適用于電控系統(tǒng)的一站式功率驅(qū)動(dòng)與信號(hào)采樣國(guó)產(chǎn)解決方案》主題演講。）

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