纳芯微：高性能高可靠栅极驱动及SiC器件助力新能源汽车三电升级

今日，纳芯微功率器件总监高金萍在“2024第四届全球xEV驱动系统技术暨产业大会”上纳芯微功率器件总监高金萍以《高性能高可靠栅极驱动及SiC器件助力新能源汽车三电升级》为主题做了相关报告，以下为文字转录：

本次报告主要是三个部分，纳芯微简介；纳芯微在新能源三电系统的一些应用层面理解；聚焦纳芯微驱动和功率器件的特色产品。

01.

纳芯微简介

纳芯微电子是高性能高可靠性模拟及混合信号芯片公司。自2013年成立以来，2022年在科创板上市，目前员工约800多名，其中近50%属于研发，致力于技术创新和领先。公司聚焦传感器、信号链、电源管理三大方向，为汽车、工业、信息通讯及消费电子等领域提供丰富的半导体产品及解决方案。

纳芯微始终坚持全球多元化布局。我们在德国、日本、韩国和美国四个海外区域设立了分支机构，以便更好地服务当地客户。

数年前，公司就开始战略性布局工业及汽车电子应用领域。2016年，我们推出首款汽车芯片，正式进军汽车市场；2018年，车规级压力传感器实现批量装车。随后，陆续发布车规级隔离产品、马达驱动产品和电源管理产品。2023年，我们发布了车用小电机驱动SoC和SiC产品，并成为AEC汽车电子委员会成员，以汽车质量体系规范产品质量，更好地服务汽车客户。

智能化和电动化一直是新能源汽车发展的核心方向。纳芯微致力于在这些领域全方位、全品类的产品布局，产品已经覆盖了新能源三电、热管理、车身模块、智能座舱等关键应用。2023年，我们汽车芯片的出货量达到1.6亿片，相较2022年的1亿片增长了约60%，产品种类愈加丰富，客户认可度持续提升。

02.

纳芯微xEV三电解决方案

接下来介绍一下纳芯微在汽车三电领域的解决方案，基于对市场和技术的理解，我们主要聚焦于系统应用来提供整体解决方案。

《节能与新能源汽车技术》的讨论已经从2.0过渡到3.0，从对系统层面的综合工况和控制器的要求，逐渐细化到对电机控制器和核心器件等更具体的参数的要求。例如，功率器件的耐压、耐流、SiC的导通电阻等参数，以更好地指导未来主控行业的发展。

基于去年对主驱的趋势介绍，除了传统的高压、高效率、高功率密度、低成本的发展趋势，今年我们还增加了“高质量”，这一点非常重要。

从Tier-1角度出发，他们会关心高压高效的损耗是否能够更低，耐压是否能够更高，共模干扰是否易于处理。高功率密度方面，整车厂系统集成和Tier-1的三合一、六合一、七合一设计，甚至未来的X合一理念。从功率器件角度，可能会把电流或者温度传感集成到功率模块中，以满足更高密度的要求。高质量体现在两个方面，尤其是主驱部分。首先，功能安全是否达到ASIL D设计要求；其次，整个生命周期是否能够更加可靠。低成本会涉及到一些综合系统的设计，比如通过多合一以实现系统层面的降本。与此同时，主驱是否可以反过来用在DC-DC，用以实现高压的充电。

因此，也对我们这些半导体厂商提出了相应的要求。例如，高压高效率系统中，驱动芯片是否能够支持高压系统；功率器件从Si升级为SiC，驱动芯片是否需要做相应的改动？SiC器件开关频率非常高，驱动芯片是否能够支持，是否能够快速响应。功率密度方面，从Si到SiC的转变本身已经实现了更高的功率密度的设计，同时，通过不同的封装形式去进一步满足这一变化。驱动芯片方面，原来的驱动芯片驱动电流比较小，外围电路可能需要辅助一些图腾柱电路来搭配；而我们现在的驱动芯片，会采用集成度更高、更大的输出电流、更小的封装，比如我们新一代的驱动产品驱动电流能够达到15A。从高质量维度而言，芯片是否能够支持ASIL D设计，功率器件的可靠性验证是不是需要加严等等。低成本方面，除了通过优化设计、创新封装，我们还致力于通过新工艺平台的调整用以优化成本，以更好地服务客户，实现客户对低成本和差异化需求。

总体而言，与去年相比，我们今年新增了“功能安全”和“质量”这两个点。在追求成本效益的同时，我们也应该更加注重质量、安全和可靠性的提升。

03.

纳芯微栅极驱动品类产品

基于这张主驱系统的典型框图，我们可以看到纳芯微可以提供模拟品类一站式解决方案，这里我们重点介绍一下我们的驱动产品：从NSI6611到67系列，可提供更多的保护和检测功能，再到6911，可以达高ASIL-D, 15A output current, 更精准的12bit ADC通道等等。

车载OBC/DC-DC与主驱有所不同，其功率范围相对较小，目前市场主流的功率从3.3kW到22kW不等。尽管整体功率在上升，很多Tier1对22kW研发的需求目前在暂缓，市场需求更多集中在6.6kW和11kW两个功率段，在国内双向OBC/DC-DC深受大家的喜欢。另外我们也看到一些主机厂和Tier1在做一些主驱，用于DC-DC的预研，甚至已经量产。

随着系统高压化和高频化，SiC将得到快速运用。OBC自身的功率没有那么大，系统的无源器件比较多，开关频率比较高，因此SiC在OBC的渗透率甚至比主驱可能略高一些。这同时也会带来对驱动芯片低延时和米勒钳位效应等功能的需求。高功率密度这块，很多头部的Tier 1从最早的采用TO直插件的封装形式慢慢转向TO263这种贴片式的封装，甚至演变为合封封装。

基于其系统拓扑特点，对于驱动这一块的需求，从最早的半桥驱动，到现在半桥驱动+米勒钳位，能够更好地适配SiC。同时也会有单管驱动和双低边驱动的需求，我们都能够提供相应品类的驱动产品。我们的隔离半桥驱动NSI6602V，是大家之前比较熟悉的NSI6602的二代产品，在第一代产品的基础上进行了增强，比如提高了输出电流，简化回路设计。

在功率器件方面，我们提供650V和1200V全系列SiC产品，支持OBC的高效发展。主要封装形式包括TO247-4和263-7版本。该系列产品采用烧结银技术，除了可靠性的维度，从实测数据来看，RTH热阻能够降低大约20%-30%，提高电流输出能力，并简化热管理系统的设计。

关于电动压缩机和PTC应用，功率集中在3kW到11kW之间。PTC应用本质就是大的电阻，本身的开关频率会更比较低，对驱动和功率器件的挑战都不高。目前采用最多的仍然是IGBT的方案，侧重点在低导通损耗。空压机的开关频率从早期的8kHz到10kHz提高到接近20kHz，在高压化和高频化的趋势下，就需要1200V SiC和快速IGBT来进行支持支持。因此，如果追求更高效，那可以采用SiC的单管，如果追求更高性价比，则可以采用IGBT方案。因为这个领域整体的功率不大，因此也有一些从白电空调进军汽车领域的企业，会带来一些IPM方案，系统集成度更高。在这个领域里，我们的解决方案和OBC领域的较为相似，主要为隔离驱动NSI6601,NSI6602和低边驱动NSD1026V. 此外功率器件上也有了追求性价比的IGBT 以及追求性能的SiC的选项。

以上是我们在三电领域的理解和产品布局。接下来，将重点跟大家介绍一下我们高性能、高可靠栅极驱动和SiC器件。

04.

高性能高可靠栅极驱动+SiC器件

我们的栅极驱动产品分为隔离驱动和非隔离驱动，覆盖面非常全面，包括兼容光耦输入、单通道、双通道、集成米勒钳位、功能安全等；同时封装形式也多样化，从SOP到WLSCP，能够满足客户的多样化需求。此外，我们的功率器件也是聚焦应用去进行产品的开发和创新，目前我们主要聚焦在SiC这个品类上。

我们的隔离驱动有如下几个核心的点：

在隔离式栅极驱动技术方面，纳芯微采用容隔技术，利用二氧化硅隔离栅和双边电容增强绝缘方式，使隔离电压达到5000V以上，满足高压需求。我们专利技术Adaptive OOK®技术和双差分输入模式进一步提升共模抑制比，增强了系统鲁棒性。

针对主驱应用，要求会更高一些，需要各种保护功能来保护功率器件，如米勒钳位、软关断、DESAT保护等。我们会根据客户系统应用的需求来看需要增加哪些功能，更好地支撑客户业务的发展。此外，从芯片设计，到客户系统仿真支持，我们都会有相应的软件仿真能力，让整个设计和应用端的支持会更可靠，更有理论支撑。如上是我们在栅极驱动方向的一些重点技术。

在OBC或者空压机等应用中，半桥是最常用的拓扑，我们的产品NSI6602用的比较多。特别是针对SiC应用，我们提供了带有米勒钳位功能的双通道驱动芯片NSI6602M，支持高达10A的驱动电流，并且已通过AEC-Q100认证。

此外，关于功率器件部分，我们会通过与客户端的密切沟通，结合应用端的需求进行产品开发，虽然像SiC、二极管的参数、电性能都差不多，但是针对应用端的需求还是不一样的。举例来说，无论是充电桩还是储能系统，这些与电网接触频繁的设备对抗浪涌的能力要求很高。在二极管的抗浪涌能力方面，我们的产品可以达到10倍以上的额定电流。而当前国际上的标准大致在8-10倍，国内则一般为6-8倍，可能下一代的规划在8-10倍左右。

从可靠性的角度来看，无论是工规还是车规，SiC作为新技术，性能非常好，但是其器件可靠性一直是大家关注的焦点。我们在选材和验证过程中非常谨慎，采用更为严格的标准，甚至比AEC-Q101标准更为严苛。目前，我们针对高压器件使用了80%的电压进行所有的H3HTRB验证，这是为了确保产品在实际应用中具备更多的安全边界。目前的AEC-Q标准要求可靠性前后的数据偏差不超过20%。我们的产品经过整个验证周期后，典型参数的数据漂移在5%以内。除了提供更高性能外，我们还结合应用需求和严格的可靠性要求，为产品添加了一些特色亮点。

在MOSFET领域，我们的1200V全系列产品已准备面市，从80mΩ、60mΩ，再到针对主驱专门开发的13mΩ的SiC新品。以我们已经量产的1200V，80mΩ的产品来看，实际上它是在15V的情况下达到80mΩ，18V的情况下达到60mΩ，所以说我们可以实现一个15V-18V的兼容，让大家更容易去匹配当前的驱动，在18V的情况下RDSon可以去做更进一步的降低。我们的RSP已经达到了3.X的水平，下一代小于3的RSP导通产品也正在研发中。

纳芯微的产品有如下核心特点：

驱动电压兼容性更宽，从-8V到22V。我们的RDSon，特别是高温下的RDSon增加比例相对较小，这意味着我们产品高温性能表现更佳，同时损耗也更低。在SiC产品中，特别是SiC MOSFET，系统应用中dv/dt、di/dt相对较高，因此确保BV留有足够余量对客户至关重要，因此在这一点上我们都会留的比较多一些。另外，众所周知，SiC MOSFET由于自带的体二极管性能不佳，在某些测试情况下，其性能甚至不如IGBT。在反向FRD方面未经过特别优化的情况下，它的效率可能会拖累SiC MOSFET的提升。因此，我们在这方面进行了特别优化，目前的表现也达到了不错的水平。总体来看，SiC MOSFET在导通电阻、体二极管等关键参数上表现还是不错的。目前主要的封装形式包括TO-247和TO-263，我们也在持续研发一些新的封装形式。

纳芯微不仅拥有全面的芯片解决方案，而且拥有完善的质量管理。这是我们在汽车领域取得不错成绩的核心保障；我们的质量管理始于客户的需求，终于客户的满意，从研发阶段设计开始，贯穿整个产品的生命周期，将质量融入到全员意识中，以提升我们对产品的全面把控，这是非常关键的一环。我们有许多经过验证的质量管理流程，这有助于产品提高质量

除了以上提到的内容，我认为更重要的是，所有的产品，无论是功率器件还是模拟IC，开发出来并不意味着一定能达到零缺陷率（0 ppm）。在产品典型使用情况下，如何进行更全面、更完备的评估测试是非常关键的。这需要结合应用场景需求和芯片自身能力进行考量。

以我们的驱动芯片为例，我们拥有广泛的产品评估测试能力。例如，驱动产品的CMTI值，我们在数据手册标为150 kV/μs，那实测结果在各种温度下都能达到200kV/μs。我们还会针对应用场景进行高频注入、宇宙射线以及窄脉冲耐压极限等测试。考虑到我们有功率器件和其他品类的芯片，我们会搭建一些诸如双脉冲测试，甚至是系统层面的验证，如在OBC、DC-DC或充电桩等简单应用场景下验证驱动芯片及其他芯片的性能。

从产品开发，到测试筛选，再到最终可靠性验证，以SiC为例，我们不仅通过行业标准进行可靠性验证，同时也在制定更严格的公司验证标准，基于我们对应用端的理解加上更多的测试。比如，以SiC为例，HV-H3TRB测试对于评估封装抗湿度和芯片能力至关重要。此外，在动态HDGS模拟测试上，我们的产品也取得了不错成绩。

如何确保产品的长期可靠性是至关重要的因素。我们纳芯微的价值观里有两条，分别是可靠和可信赖。体现在产品质量方面，可以解读为：可信赖Reliable意味着采用更严格的验证标准，甚至超过当前的AEC-Q标准；可靠Robust是指我们会对产品进行持续的OQC监测，确保每批产品出厂后进行出厂前的抽检和相关测试，以此做长期的可靠性监控，这对于整个产品生命周期的管理和质量控制至关重要。这是纳芯微一直以来坚持做的事。

如上，我们详细讨论了功率器件和驱动芯片的相关内容。总体而言，我们在汽车应用领域涵盖了电驱动、电池管理和热管理等多个领域。最后需要强调的是，除了功率和驱动芯片，我们致力于成为汽车电子的一站式芯片解决方案供应商，以更好地服务我们的客户。

来源： NE时代新能源

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