从隔离技术到功能安全，纳芯微栅极驱动构筑全场景应用护城河

　　导读

　　从2020年初推出首款驱动芯片，短短数年时间，纳芯微在驱动芯片领域已实现了跨越式发展，核心依托自身在技术、产品、市场布局等多方面的核心竞争力。

　　在最近一次对外交流中，纳芯微技术市场经理庞家华就栅极驱动相关问题展开深度解读，既展现出纳芯微在产品端的创新实力，也清晰诠释了企业快速成长的底层逻辑。

　　锚定核心市场，打造核心优势

　　栅极驱动芯片是一种用于控制半导体功率器件(如 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、 GaN HEMT 等)开关速度和时间的集成电路。栅极驱动芯片可以放大控制器件的开关控制信号，提供足够的电流来对半导体功率器件的栅极进行快速充放电，从而实现高速开关，减少开关过程中的能量损失，并保护控制器件不受到过高电压或电流的损害。

　　庞家华表示，栅极驱动的核心应用市场高度集中，汽车电子、电源领域(含服务器电源、各类电源模块)、光伏领域、工业自动化领域(如变频器、伺服系统)四大场景，占据了整个市场份额的百分之七八十。这四大市场，恰好也是纳芯微深耕最多年的主力赛道。

　　他指出，这些核心应用场景的共性需求，是对产品可靠性的极致追求。无论是汽车电驱系统还是光伏逆变器，驱动芯片一旦出现故障，都可能引发终端应用的灾难性后果，因此客户往往将可靠性放在首位。特别是相较于马达驱动，栅极驱动往往都是大功率的应用，对于可靠性的需求不言而喻。在这一关键维度上，纳芯微的产品失效率小于1ppm(百万分之一失效率)。更重要的是，经过前几年的市场验证，纳芯微栅极驱动产品性能更稳定、不良率更低。

　　纳芯微作为专业的驱动及电源芯片供应商，持续投入核心资源打磨产品性能，同时立足客户多元化的功率器件应用需求，打造出可适配不同需求的栅极驱动产品，充分贴合实际应用中的器件搭配需求。

　　理解全场景，围绕应用构建一站式产品树

　　纳芯微始终以 “一站式产品树” 为核心布局逻辑，针对核心领域覆盖全应用场景，并对每个场景做深度技术耕耘，核心思路是精准把握场景痛点、实现全物料配套覆盖。

　　在栅极驱动核心应用领域，如电驱系统、车载充电机(OBC)、光伏逆变器、服务器电源等，纳芯微不仅提供驱动芯片，还配套采样芯片、电源芯片及各类传感器，实现不同功率等级应用场景的全覆盖。

　　庞家华表示，栅极驱动尽管在应用场景中作用大体相同，但由于应用本身也在不断发展演变并产生新的需求，纳芯微会将这些新需求列为解决的目标，并根据客户的产品规划来构建产品树，与客户共同成长。“我们会持续关注重点应用的发展趋势，紧跟客户的产品迭代节奏，从而不断完善产品树，这一逻辑不仅适用于栅极驱动产品，也适用于公司所有产品方向。”庞家华强调道。

　　纳芯微采用了“量产一代、研发一代、预研一代”的研发节奏，基本上每年都会有新产品推出。“前几年需要先完善产品种类，所以迭代节奏相对慢，后续我们希望能够保持一年一代的迭代路线图，未来当产品迭代到一定阶段后，会进入创新突破期，届时迭代周期可能会调整为2-3年一代，中间的间隔期主要用于研发创新型产品。”对于产品迭代节奏，庞家华如是说道。

　　目前，纳芯微已形成多系列核心产品矩阵：NSI6602 系列(半桥驱动)、NSI6801 系列(光耦替代型驱动)、NSI6611/6651 系列(智能保护功能驱动)构成核心老产品体系。

　　2024 年，多款迭代产品与全新产品陆续推出：

　　NSI6801 系列迭代至第三代 NSI6801E，在成本、售价及综合性能上实现全面提升;

　　NSI6602 系列升级至第三代 NSI6602ME，作为全球首款带米勒钳位功能的半桥驱动，有效抑制碳化硅(SiC)应用中的米勒震荡，在 OBC 及 SiC 应用客户中反响热烈;

　　NSI6611/6651 系列迭代至第二代 NSI67xx 系列，集成模拟信号采样或 ASC 保护功能，功能更丰富。

　　另外，纳芯微也推出了全新功能安全驱动 NSI6911F，作为国内首款应用于电驱系统的功能安全驱动芯片。

　　栅极驱动选型指南

　　栅极驱动的选型主要分为以下几个步骤：

　　第一步，先确定选择隔离驱动还是非隔离驱动。如需为了极致控制成本，且对性能、耐压要求不高，会选择非隔离驱动;如果应用场景对隔离、耐压有要求，则需要选择不同等级的隔离驱动。

　　第二步，根据驱动对象和功率等级选择合适的驱动电流和驱动电压，不同的功率器件(如氮化镓GaN、碳化硅SiC、绝缘栅双极型晶体管IGBT等)对驱动电流和电压的要求不同，需要根据具体的功率器件类型和功率等级来匹配。

　　第三步，选择额外的功能模块，包括保护功能，普通保护只有欠压保护、死区时间保护等;而智能栅极驱动集成了米勒钳位、退饱和保护、软关断电流、电源告警上报等复杂的保护功能。另外还有ADC采样、功能安全等等不同的需求。

　　另外，还可以根据拓扑结构进行选型，比如选择单管驱动(仅驱动一个功率管)或半桥驱动(驱动两个功率管)。

　　根据隔离、驱动种类、功能模块的区别，纳芯微有一系列独到的技术组合。庞家华特别强调，从隔离到驱动再到保护、采样和电源等功能，纳芯微多年的产品研发过程中积累了大量的成熟IP，可以支持驱动类产品的不断创新演进。

　　适配第三代半导体，栅极驱动定制化解决方案

　　随着第三代半导体的流行，纳芯微在栅极驱动方面做了非常多的工作，以适配不同的第三代半导体。

　　首先对于SiC而言，性能与IGBT相比差异不大，但SiC的开关速度更快，这要求驱动芯片具备更高的共模瞬变抗扰度(CMTI)，以避免噪声导致器件误操作。

　　对于GaN而言，驱动则相对复杂，核心难点在于高频场景下的震荡抑制，需要优化驱动电流输出，同时GaN的栅极-源极(GS)电压耐受能力较弱，过压容易导致器件损坏，所以需要确保输出电压稳定。“这些技术难点无法通过一句话概括，核心还是“实践出真知”，需要不断测试、优化，才能让产品性能达到最优。因此，纳芯微选择与头部功率器件厂商联合开发，是我们做好GaN驱动的关键，也是我们的核心优势之一。”庞家华介绍道。

　　按照栅极特性差异，GaN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)两种类型;按照应用场景差异，GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式。针对不同类型的GaN和各种应用场景，纳芯微推出了一系列驱动IC解决方案，充分发挥GaN器件的性能优势。

　　其中耗尽型GaN内部集成了一个小的MOSFET，和传统的MOSFET驱动差异不大，因此使用常规驱动芯片就能够驱动。

　　去年9月，纳芯微、联合电子与英诺赛科共同签署战略合作协议，三方将聚焦新能源汽车功率电子系统，联合研发智能集成GaN相关产品。全新开发的智能GaN产品将依托三方技术积淀，提供更可靠的驱动及GaN保护集成方案，进一步提升系统功率密度。“GaN作为第三代半导体，目前仍处于技术探索阶段，无论是驱动芯片还是功率器件本身，都存在不少技术难点，要做好GaN驱动，需要进行联合开发，这将是一个不断摸索的过程。”庞家华强调道。

　　高功率场景 栅极驱动双核心保护技术解析

　　随着功率等级越来越高，保护电路越来越重要，选择一款合适的驱动器，可以显著提高系统的可靠性，简化系统设计，缩短研发成本。对于功率越来越大的器件，都可能因为误导通或dv/dt变化太快从而烧毁器件，因此目前保护功能中，退饱和保护(DESAT)和米勒钳位是值得注意的两项技术。

　　退饱和保护主要是短路保护功能，它通过集成恒流源和比较器，监测功率器件的VCE电压，当检测到短路时，会触发软关断功能，缓慢关断功率器件，避免器件因短路烧毁。关断过程不会瞬间完成，而是缓慢进行，防止关断过快导致过压损坏。

　　米勒钳位技术则主要是为了抑制米勒效应。米勒效应是在功率管开关过程中，功率管的集电极(C极)和栅极(G极)之间存在寄生电容CGD，在开关过程中会产生dv/dt变化，dv/dt与CGD的乘积会形成米勒电流，该电流会流向栅极，而栅极存在电阻Rg，电流通过电阻会产生电压，导致栅极-源极之间出现压差，从而使功率管被误打开，这就是米勒效应。

　　米勒钳位技术就是通过增加一条低阻抗的泄放路径，将米勒电流释放到地，避免栅极-源极电压被抬高，防止功率管误导通。

　　ASIL-D 功能安全驱动 构筑电驱系统安全核心

　　功能安全指的是，栅极驱动芯片可以通过对驱动芯片自身、功率模块以及驱动系统中的失效模式进行识别，结合内在安全机制和系统级安全控制逻辑，在故障容忍时间间隔(FTTI)内使系统进入安全状态，避免因故障导致严重的危害人身安全的事件发生。

　　采用满足功能安全标准的芯片来进行功能安全零部件的开发，可以大大简化系统开发流程，减少软硬件设计难度，降低失效风险，提高可靠性和鲁棒性。纳芯微的功能安全栅极驱动芯片集成了系统功能需求模块和诊断需求模块，可以有效降低系统成本。同时支持软件智能配置，可针对不同应用场景及功率模块的产品，实现差异化配置开发。“功能安全本质上是系统级的概念，即使不使用功能安全驱动芯片，也可以通过增加冗余设计、额外的保护电路等方式，实现较高的系统功能安全等级，只是这样会增加设计复杂度和成本。”庞家华介绍道。

　　庞家华表示，尽管目前行业内并没有强制功能安全的驱动，但中高端车型越来越注重性能和安全，通常会选择更高安全标准的产品，随着未来行业标准的不断演进，有可能推动功能安全驱动的强制性要求。

　　展望未来

　　庞家华表示，除功能安全，压摆率调节将成为栅极驱动的另外一个重要发展方向，该技术通过在轻载、重载等不同工况下动态调节驱动电流，优化 dv/dt 和功率损耗之间的权衡，从而实现全场景效率最大化，既契合绿色能源发展的行业共识，又能有效帮助客户降低电池、体积等核心成本，具备显著的技术价值与市场潜力。

　　实际上，在不久前出版的《节能与新能源汽车技术路线图3.0》上，纳芯微技术专家方舟介绍了栅极驱动的关键技术发展趋势，产品将向高性能、集成化、高可靠性与高安全性演进。比如，栅极驱动的关键技术趋势包括提升驱动电流能力，提供智能驱动电流调节和共模瞬变抗干扰度。此外，在工艺上还将攻关垂直MOS工艺、垂直BCD工艺及车规耐高压工艺等，预计到2040年通过设计与工艺优化实现桥驱与高边导通内阻进一步降低，全面支持48V系统。

　　另外值得一提的是未来的服务器市场，特别是AI算力中心的发展，对于功率的需求越来越大，给电源驱动带来了新的机会。庞家华认为，服务器电源追求极致的功率密度，要求体积越来越小，GaN能够充分发挥高频特性，是目前高功率密度的最优选择，纳芯微也将积极拓展该领域的布局。

　　“对于栅极驱动而言，功能的提升相对简单，更重要的是贴合应用场景进行技术升级。工艺优化也是同理，需要在抗干扰能力、压摆率调节功能、更大的驱动电流这些功能增加的同时，尽量缩小芯片面积，在功能和成本上达到平衡。”庞家华总结道。