隔離芯片專題分析

隔離芯片專題分析1.隔離芯片：電路安全保障芯片國產(chǎn)替代加速期隔離器件是將輸入信號進行轉(zhuǎn)換并輸出，以實現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸?shù)陌踩?，如果沒有進行電氣隔離，一旦發(fā)生故障，強電電路的電流將直接流到弱電電路，可能會對人員安全造成傷害，或?qū)﹄娐芳霸O(shè)備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。一般來說，涉及到高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸?shù)脑O(shè)備大都需要進行電氣隔離并通過安規(guī)認證。數(shù)字隔離器是最簡單的隔離器件。隔離器件可以分為5類：數(shù)字隔離器，隔離接口，隔離運放，隔離驅(qū)動及隔離電源。其中數(shù)字隔離器為最簡單的隔離器件。CMTI（共模瞬變抗擾度,）為衡量數(shù)字隔離器性能的關(guān)鍵指標。CMTI是隔離產(chǎn)品最重要的指標之一。CMTI指是指瞬態(tài)穿過隔離層以破壞驅(qū)動器輸出狀態(tài)所需的最低上升或下降dV/dt（kV/μsorV/ns）。以光伏逆變器系統(tǒng)為例，隔離驅(qū)動器有一側(cè)的地是懸浮的并且快速切換的。CMTI是一個關(guān)鍵指標，如果CMTI能力不夠，可能會導致輸出錯誤，可能會出現(xiàn)電路短路，影響系統(tǒng)安全。對其他應(yīng)用比如電機驅(qū)動器，變頻器也是如此。除了CMTI之外，還有EMC，時序能力，壽命等指標用于衡量數(shù)字隔離器性能。1.1.數(shù)字隔離器：最基礎(chǔ)的隔離器件數(shù)字隔離器是新一代隔離器件。隔離器件廣泛應(yīng)用于信息通訊、電力電表、工業(yè)控制、新能源汽車等各個領(lǐng)域。從技術(shù)路線上來說，隔離器件可以分為光耦和數(shù)字隔離芯片兩種。相比傳統(tǒng)光耦，數(shù)字隔離芯片是更新一代、尺寸更小、速度更快、功耗更低、溫度范圍更廣的隔離器件，并且擁有更高的可靠性和更長的壽命。數(shù)字隔離又分為磁耦合和電容耦合。磁耦數(shù)字隔離器由ADI設(shè)計開發(fā)的一款適合高壓環(huán)境的隔離電路。它是一種基于芯片尺寸的變壓器，采用了COMS工藝+線圈結(jié)構(gòu)，傳輸速度快，可靠性強，但專利封鎖強。電容耦合采用電容做信號傳輸，實現(xiàn)較為簡單，國內(nèi)公司大多采用電容耦合方案。1）光耦：通過電到光到電的形式進行信號傳輸。2）容耦：采用高頻信號調(diào)制解調(diào)將輸入信號通過電容隔離之后傳輸出去。3）磁耦：主要通過磁場進行能量傳遞將信號進行隔離傳輸。從下游應(yīng)用來看，數(shù)字隔離芯片主要應(yīng)用于信息通訊、電力自動化、工廠自動化、工業(yè)測量、汽車車體通訊等。根據(jù)MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)，2020年數(shù)字隔離類芯片在工業(yè)領(lǐng)域上使用最多，占比達28.58%，其次是汽車電子行業(yè)，占比達16.84%，通信領(lǐng)域位居第三，占比達14.11%。未來隨著工業(yè)自動化和汽車電氣化進程的推進，根據(jù)MarketsandMarkets的統(tǒng)計，與2020年相比，2026年工業(yè)領(lǐng)域、汽車電子領(lǐng)域和通信領(lǐng)域在數(shù)字隔離類芯片的市場占比將分別穩(wěn)定在28.80%、16.79%和14.31%。隨著工控，新能源汽車及5G基站需求持續(xù)景氣，數(shù)字隔離器件市場蓬勃發(fā)展。據(jù)IHSMarkets統(tǒng)計，2020年數(shù)字隔離器件市場規(guī)模達到4.5億美元，預計到2024年增長至7.7億美元，CAGR達+14.3%。1.2.隔離接口：通訊接口的安全保障隔離接口即數(shù)字隔離器加接口芯片組合，多用于高壓領(lǐng)域（超48V）。接口芯片是基于通用和特定協(xié)議且具有通信功能的芯片，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)之間的信號傳輸，可提高系統(tǒng)性能和可靠性。接口芯片分為隔離與非隔離兩種，其中非隔離接口芯片占比超70%。常見的接口為I2C、RS-485、CAN等不同標準。其中RS-485廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，I2C及CAN接口多用于汽車領(lǐng)域。以新能源汽車為例，隔離接口廣泛應(yīng)用于主驅(qū)，空壓機，OBC，BMS，加熱器等領(lǐng)域，單車用量數(shù)量超過10顆，單車價值量近100元。1.3.隔離驅(qū)動：賦能功率半導體隔離驅(qū)動即數(shù)字隔離器與驅(qū)動芯片的組合。驅(qū)動芯片是用來驅(qū)動MOSFET、IGBT、SiC、GaN等功率器件的芯片，能夠放大控制芯片（MCU）的邏輯信號，包括放大電壓幅度、增強電流輸出能力，以實現(xiàn)快速開啟和關(guān)斷功率器件。隔離驅(qū)動芯片能夠在驅(qū)動功率器件的同時，提供原副邊電氣隔離功能容。在電源與充電樁等高功率應(yīng)用中，通常需要專用驅(qū)動器來驅(qū)動最后一級的功率晶體管。給功率管增加驅(qū)動的方式有兩種，一種是非隔離驅(qū)動，一種是隔離驅(qū)動。傳統(tǒng)電路里面經(jīng)常見到非隔離驅(qū)動，在高壓應(yīng)用中一般采用半橋非隔離驅(qū)動，非隔離驅(qū)動有很多局限性。1）非隔離驅(qū)動模塊整體都在同一硅片上，因此耐壓無法超出硅工藝極限，大多數(shù)非隔離驅(qū)動器的工作電壓都不超過700伏。2）非隔離驅(qū)動耐負壓能力較弱，所以如果采用非隔離驅(qū)動，應(yīng)特別注意兩管間電路設(shè)計。3）非隔離驅(qū)動與控制芯片共地，不夠靈活，無法滿足現(xiàn)在許多復雜的拓撲電路要求。相比非隔離驅(qū)動，隔離驅(qū)動就有很多優(yōu)勢，這里以數(shù)字隔離驅(qū)動來做說明。在數(shù)字隔離驅(qū)動器內(nèi)部，有兩塊或更多的硅片，硅片之間通過絕緣材料隔離，而控制信號通過電容型或電磁型方式穿過隔離層來傳遞，從而讓輸入與輸出處于不同硅片上，這種隔離方式能繞過硅工藝極限，可以滿足高耐壓需求，隔離驅(qū)動可以承受10kV以上的浪涌電壓。隔離驅(qū)動開發(fā)難度較高，需要適配IGBT廠商。隔離產(chǎn)品中隔離驅(qū)動開發(fā)難度最高，可靠性要求也最高。使用IGBT等功率器件的高壓場景往往會使用隔離驅(qū)動，通常一顆IGBT搭配一顆隔離驅(qū)動。由于與IGBT密切相關(guān)，因此隔離驅(qū)動開發(fā)時往往需要與IGBT廠商共同定義，具備IGBT研發(fā)能力的廠商隔離驅(qū)動芯片能力較強。如英飛凌搭配自家IGBT共同使用；ADI與富士通合作緊密，而國產(chǎn)隔離廠商有望與國產(chǎn)IGBT廠商形成緊密合作。1.4.隔離采樣：電路信號監(jiān)控者隔離采樣也稱隔離運放即數(shù)字隔離器與運算放大器的組合。隔離采樣包括隔離ADC，隔離電流放大器，隔離電壓放大器等。在工業(yè)和汽車應(yīng)用的高壓電流檢測中，通常采用基于霍爾的電流傳感器和基于分流器的采樣兩種方案。前者具有天然的隔離特性，而后者需要增加隔離運放或調(diào)制器來進行電氣隔離。相較而言，基于分流器加隔離運放/調(diào)制器的采樣方案具有更高的精度和更低的非線性度，同時失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫漂較低，且不易受到外部磁場的干擾。隔離采樣的需求量取決于采樣通道數(shù)。以BMS以及MCU為例。一般MCU中只需要采取一路，部分考慮功能安全方案的放可以采兩路。大型儲能BMS中可能采集更多。2.產(chǎn)業(yè)趨勢：新能源產(chǎn)業(yè)驅(qū)動隔離芯片需求上行新能源時代下強電弱電場景增加，安全性需求日益提升。數(shù)字隔離類芯片作用是保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸?shù)陌踩浴Ｔ谛履茉磿r代下，通訊、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)變頻器、伺服、光儲系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、新能源車等市場快速發(fā)展，擴大了強電電路和弱電電路的之間信號傳輸?shù)氖褂脠鼍?，同時隨著各類系統(tǒng)對安全性的要求越來越高，隔離芯片被更多的集成到信號鏈和電源類等模擬芯片中，進一步擴大了隔離類芯片的整體需求。數(shù)字隔離芯片應(yīng)用場景寬泛，新能源車、工控和光伏系統(tǒng)成為應(yīng)用先驅(qū)。從下游需求來看，電動汽車、工控和光伏太陽能系統(tǒng)是率先采納數(shù)字隔離器的應(yīng)用先驅(qū)。因為這些系統(tǒng)對體積、轉(zhuǎn)換效能、成本和高可靠度的要求愈來愈嚴苛，導致傳統(tǒng)光電耦合器的性能逐漸不敷應(yīng)用需求。此外，帶隔離驅(qū)動的電機在工業(yè)領(lǐng)域使用增加、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對隔離接口的需求和汽車電氣化對安規(guī)需求提升等因素，進一步促進了數(shù)字隔離類芯片市場的發(fā)展。根據(jù)MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)，2020年數(shù)字隔離類芯片在工業(yè)領(lǐng)域上使用最多，占比達28.58%，其次是汽車電子行業(yè)，占比達16.84%，通信領(lǐng)域位居第三，占比達14.11%。2.1.光伏裝機量提升帶動隔離需求光伏新增裝機量持續(xù)提升。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2021年全球光伏新增裝機規(guī)模達到170GW，創(chuàng)歷史新高。各國光伏新增裝機數(shù)據(jù)亮眼，其中，中國新增裝機規(guī)模54.88GW，同比+13.9%。國家能源局數(shù)據(jù)顯示，2022年1月，中國新增光伏裝機容量7.38GW，同比+212%。未來隨著“碳中和”，“碳達峰”目標的推進，光伏發(fā)電作為環(huán)保發(fā)電方式，其發(fā)展前景廣闊。CPIA預計，2022年全球新增裝機量有望達到195-245GW，中國預計可達75-90GW，繼續(xù)保持高景氣增長。光伏逆變器中隔離芯片等需求量大。出于安全和可行性考慮，并網(wǎng)PV轉(zhuǎn)換器把獲得的直流與交流網(wǎng)相隔離。隔離的作用通常是滿足安全法規(guī)的要求。電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)的電流必須精確監(jiān)控。根據(jù)拓撲圖不同，對隔離驅(qū)動、隔離采樣、數(shù)字隔離以及接口有不同數(shù)量的需求。我們將常見的200kw逆變器隔離產(chǎn)品需求梳理如下：1）隔離驅(qū)動：搭配IGBT，通常一個IGBT搭配一顆隔離驅(qū)動，200kw逆變器通常4個模塊，每個模塊對應(yīng)4路，每路對應(yīng)2個IGBT單管，合計對應(yīng)近50個隔離驅(qū)動。2）隔離接口：按照逆變器通道數(shù)計算，通常一套逆變器對應(yīng)20~30個通道，對應(yīng)約5~10個隔離接口。3）隔離運放：一套逆變器平均用4個隔離運放。2.2.

新能源車擴大隔離芯片需求汽車向新能源化轉(zhuǎn)型步伐明顯提速。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2021年中國汽車總銷量為2627.5萬輛，同比增長3.8%；新能源汽車銷量為352.1萬輛，同比增長159%，滲透率方面來看，新能源乘用車滲透率持續(xù)提升，2021全年新能源汽車滲透達到13.4%，并于9月份突破20%，而2020年滲透率僅為5.4%。中國新能源汽車銷量占據(jù)全球新能源汽車市場50%的份額，新能源車已經(jīng)實現(xiàn)對燃油車市場的替代效應(yīng)，并拉動汽車加速向新能源化轉(zhuǎn)型的步伐，行業(yè)整體呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。據(jù)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃預計到2025年新能源汽車占比將達到20%，我們預計2022年新能源汽車年銷量將有望突破500萬輛，滲透率有望達到20%。新能源汽車催生更多數(shù)字隔離芯片需求。與汽油車相比，新能源汽車的電氣化程度更高。出于安規(guī)和設(shè)備保護的需求，數(shù)字隔離類芯片也更多地應(yīng)用于新能源汽車高瓦數(shù)功率電子設(shè)備中，包括車載充電器（OBC）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機控制驅(qū)動逆變器、CAN/LIN總線通訊等汽電子系統(tǒng)，成為新型電子傳動系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。因此，新能源汽車新增了多種數(shù)字隔離類芯片產(chǎn)品的需求。新能源汽車單車隔離芯片價值量近400元。以電機驅(qū)動為例，電控單元（ECU）和電機控制器之間的CAN通訊需要隔離芯片，功率管和控制器之間需要隔離柵極驅(qū)動器，電機驅(qū)動的電流采樣需要隔離ADC/隔離運放。除了對隔離芯片數(shù)量需求的提升，新能源汽車還提升了對隔離技術(shù)的要求。電池功率密度的提高帶來了電池工作電壓的提高，純電汽車（EV）或各種形式的混合動力電動汽車（HEV）的高壓電池可達到200V-400V，同時具有較高的運行溫度，這要求數(shù)字隔離芯片具有高耐壓的特性以及滿足車規(guī)級溫度要求，傳統(tǒng)的光耦的已經(jīng)不能應(yīng)對在高溫環(huán)境下工作的需要。我們將新能源汽車隔離芯片用量梳理如下：主驅(qū)：6顆隔離驅(qū)動芯片，2顆隔離采樣芯片，1顆can隔離接口芯片，1顆數(shù)字隔離器，3顆電流采樣芯片。空壓機：3顆隔離驅(qū)動芯片。2顆隔離采樣芯片，3顆電流采樣芯片，1顆can隔離接口芯片，2顆數(shù)字隔離器。OBC和DCDC：4顆隔離采樣，隔離驅(qū)動7~14顆(SIC單管14顆，IGBT用7顆)，6顆電流采樣芯片，2顆can隔離接口芯片。BMS：

2顆電流采樣，2顆數(shù)字隔離，1顆can隔離接口，1顆隔離驅(qū)動。加熱器：2顆隔離采樣，3顆隔離驅(qū)動，1顆can接口。PDU：2顆數(shù)字隔離器，1顆can接口。2.3.工控為隔離芯片主要應(yīng)用場景工控為數(shù)字隔離芯片主要應(yīng)用場景。工業(yè)4.0背景下，人機交互情形會隨著機器設(shè)備的增長而增多，而工業(yè)用電為220V至380V交流電，遠超人體的安全電壓36V。為了保障生產(chǎn)人員的人身安全，必須對高低壓之間的信號傳輸進行隔離以保護操作人員免受電擊，該類隔離需求涉及人機交互的各個節(jié)點。具體來說，工業(yè)自動化系統(tǒng)有多個PLC/DCS節(jié)點，每個PLC/DCS節(jié)點控制一至多個變送器、機械手、變頻器、伺服等設(shè)備，出于安規(guī)需要，上述設(shè)備對數(shù)字隔離類芯片均有需求。工業(yè)場景主要是伺服器及PLC等產(chǎn)品對隔離芯片需求較多，我們將其隔離芯片的需求梳理如下：伺服器：變頻器部分主要需求為隔離驅(qū)動，每個IGBT需求一個隔離驅(qū)動。另外根據(jù)伺服器通道數(shù)情況，需要5~10個數(shù)字隔離器。PLC：根據(jù)輸入輸出點位決定，每個點位需要一個數(shù)字隔離器，平均每個PLC輸入輸出點位約30個，即需要30個數(shù)字隔離器。此外還需要1顆通訊用的隔離接口。工業(yè)電驅(qū)：工業(yè)電驅(qū)需要2顆隔離采樣，3顆隔離電源及3顆隔離接口。2.4.電網(wǎng)智能化帶動隔離芯片需求隔離與接口芯片產(chǎn)品主要用于智能電網(wǎng)中的用電終端、配電終端、繼電保護終端等各類型設(shè)備中，來實現(xiàn)對電網(wǎng)狀態(tài)、計量情況等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和上報。目前隔離芯片在電網(wǎng)中主要應(yīng)用于斷路器，充電樁和智能電表等場景；智能電表主要用數(shù)字隔離器，充電樁主要用隔離驅(qū)動，數(shù)字隔離器和運放，斷路器主要用數(shù)字隔離器；隨著電網(wǎng)智能化進程的推進，應(yīng)用隔離與接口芯片的終端設(shè)備數(shù)量的需求量不斷增長。我們將智能電網(wǎng)的隔離芯片需求梳理如下：智能電表：主要需求為數(shù)字隔離器，根據(jù)電表通道數(shù)計算，通常電表為1-8通道，對應(yīng)1~2個數(shù)字隔離器。直流充電樁：目前在中國，直流充電樁通常使用直流充電模塊功率等級為15-30kW，通過堆棧創(chuàng)建150kW新能源汽車充電樁方案。平均每個直流充電模塊需要3顆隔離驅(qū)動，3顆數(shù)字隔離器，2顆隔離運放及4個隔離接口。交流充電樁：與直流充電樁相比，交流充電樁以更低廉的價格和更簡易的部署得到很多終端客戶的喜愛。主流交流充電樁平均功率為7kW,平均每個交流充電樁需要4顆數(shù)字隔離，4顆隔離接口，2顆隔離運放及1顆隔離驅(qū)動。3.競爭格局：國產(chǎn)模擬芯片廠商差異化破局之路數(shù)字隔離器—歐美廠商掌握全球市場話語權(quán)，國內(nèi)廠商奮起直追。數(shù)字隔離領(lǐng)域的國際市場主要供應(yīng)商為ADI、TI、SiliconLabs等歐美半導體公司，國內(nèi)主要供應(yīng)商為納芯微、榮湃半導體等。在隔離技術(shù)方面，ADI于2007年率先推出磁耦合技術(shù)，SiliconLabs在2009年于業(yè)內(nèi)首發(fā)電容耦合數(shù)字隔離技術(shù)，TI、納芯微、榮湃半導體使用的均為電容耦合數(shù)字隔離技術(shù)。納芯微是國內(nèi)較早規(guī)模量產(chǎn)數(shù)字隔離芯片的公司，各品類數(shù)字隔離類芯片中的主要型號通過了VDE、UL、CQC等安規(guī)認證，并且部分型號通過了VDE0884-11增強隔離認證，相關(guān)隔離與接口產(chǎn)品已成功進入多個行業(yè)一線客戶的供應(yīng)體系并實現(xiàn)批量供貨。根據(jù)MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)，2020年全球數(shù)字隔離類芯片的出貨量為7.01億顆，同年納芯微市場占有率為5.12%。隔離驅(qū)動—擁有IGBT能力廠商占據(jù)主導。目前國際市場驅(qū)動芯片的供應(yīng)商以Infineon、TI、ROHM（羅姆半導體）、ST（意法半導體）、ADI、SiliconLabs等公司為主，其中Infineon、TI、ADI、SiliconLabs等企業(yè)推出了可應(yīng)用于新能源汽車的隔離驅(qū)動芯片。由于隔離驅(qū)動芯片技術(shù)難度較大，需要同時具備高壓隔離技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)，國內(nèi)擁有隔離驅(qū)動芯片產(chǎn)品的公司較少。國內(nèi)納芯微已進入比亞迪、五菱汽車、長城汽車、一汽集團、寧德時代等國內(nèi)主流終端廠商的新能源汽車供應(yīng)體系并實現(xiàn)批量裝車。4.重點公司分析4.1.納芯微：隔離芯片領(lǐng)跑者，汽車電動化驅(qū)動高成長傳感+隔離技術(shù)組合，主打高壁壘市場。公司自成立以來始終致力于高性能高可靠性模擬芯片設(shè)計。形成了以傳感+隔離為核心的產(chǎn)品組合，并逐漸拓展接口及驅(qū)動與采樣芯片。公司傳感ASIC產(chǎn)品覆蓋壓力傳感器、硅麥克風、加速度傳感器等多品類產(chǎn)品并已實現(xiàn)汽車前裝市場批量出貨。公司數(shù)字隔離性能國際領(lǐng)先，主要應(yīng)用于工控，新能源及汽車等高壁壘市場，并與接口、驅(qū)動及采樣芯片結(jié)合，構(gòu)建完整產(chǎn)品矩陣。主要產(chǎn)品包括信號感知芯片、隔離與接口芯片、驅(qū)動與采樣芯片，應(yīng)用于信息通訊、工業(yè)控制、汽車電子和消費電子等領(lǐng)域，可供銷售產(chǎn)品型號超800款。憑借從消費級、工業(yè)級到車規(guī)級的產(chǎn)品覆蓋能力以及對客戶應(yīng)用場景的精準把握能力，公司已與中興通訊、匯川技術(shù)、霍尼韋爾、智芯微、陽光電源、?？低?、韋爾股份等客戶建立深度合作。車規(guī)級芯片已在比亞迪、東風汽車、五菱汽車、長城汽車、上汽大通、一汽集團、寧德時代、云內(nèi)動力等終端廠商實現(xiàn)批量裝車，同時進入