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納芯微隔離和驅(qū)動技術為SiC+800V電驅(qū)動賦能

發(fā)布時間:2023-04-18 來源:納芯微 責任編輯:wenwei

【導讀】當前,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,它在消費者體驗方面仍有痛點,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,而當前重要的趨勢是采用800V電氣架構+碳化硅功率器件,其中隔離和驅(qū)動技術不可或缺。


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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,在充電電壓提升、充電電流不變的條件下提高充電功率,以期達到充電5分鐘續(xù)航200公里的目標。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用和量產(chǎn)。市場研究顯示,到2025年,預計800V高壓架構的新能源汽車銷量將達到100萬臺左右,三年CAGR(復合年均增長率)將達到270%;2025年,全球搭載800V架構的新能源汽車銷量有望達到200萬臺。


第二個趨勢是采用高壓碳化硅功率器件,其優(yōu)勢在于,第三代半導體器件具有高耐壓、低導通損耗、小尺寸等優(yōu)點,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控制器中,電力轉(zhuǎn)換是通過控制IGBT的開關實現(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,如更低的導通損耗、耐高溫、高導熱能力等。


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、PTC、電驅(qū)動的電壓等級都會隨之提升。


新能源汽車里的隔離與驅(qū)動技術


新能源汽車的隔離首先是基于安規(guī)要求,在400V-800V電池電壓下保護人身和設備安全,處理器等弱電器件也需要隔離芯片做到和高壓側(cè)進行電氣隔離;二是共地需求,需要用隔離器件來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能;三是高抗噪需求,以實現(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,導致功率管誤開通;特別是碳化硅的應用會使開關頻率上升,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通電流更大的開關管,以滿足快速開通關斷功率管的要求。新能源汽車依靠電動空壓機驅(qū)動,主電機驅(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,納芯微采用基于容耦的電容隔離技術。相比光耦,容耦的傳輸速率更高,容易達到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。另外,光耦受封裝工藝限制,不太容易將多個隔離通道集成在一個芯片中,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分離的裸片上。由于采用性能優(yōu)越的增強隔離工藝技術進行電氣隔離,兩個電容極板串聯(lián)在一起,以增強型架構實現(xiàn)隔離。其中間的隔離介質(zhì)是二氧化硅,是一種隔離強度更高的隔離介質(zhì),每微米隔離耐壓能力可達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到10kV以上的隔離耐壓。實際測試的60秒耐壓也可以達到12kV水平。另外,電容隔離每通道的差分傳輸架構也有助于提高共模噪聲抑制能力。


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在共模抑制方面,需要采用調(diào)制方式,即將一個輸入信號通過調(diào)制在電容或其他介質(zhì)中進行傳輸。業(yè)界主流做法通常是采用OOK編碼方式,將一個輸入信號調(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。


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)。


第三代半導體對隔離器件的要求更高,開關頻率已從硅基的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,CMTI、寬柵極電壓擺幅、大峰值輸出電流、快速上升下降時間,以及快速短路保護、軟關斷能力,都是需要考慮的隔離驅(qū)動芯片的關鍵指標。


納芯微的系統(tǒng)和產(chǎn)品方案


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


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,同時包括匹配800V應用、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增強型數(shù)字隔離器是明星產(chǎn)品,標稱隔離電壓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,時間長達20年甚至更長,需要能夠保證隔離器的失效率小于一個ppm。如果是基礎型隔離,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)品主要應用于OBC、DC-DC、主電機驅(qū)動、BMS和熱管理系統(tǒng)。納芯微的隔離和驅(qū)動技術在業(yè)界比較領先,且全國產(chǎn)供應鏈供貨安全可靠。成熟的產(chǎn)品經(jīng)驗和完善的智慧生產(chǎn)體系,不僅體現(xiàn)在AEC-Q100認證方面,從產(chǎn)品定義開發(fā)到后道晶圓封裝都嚴格遵循車規(guī)流程和管控理念。



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