技術特性：

• 通過CMOS技術集成變壓器
• 變壓器面積降至原來的1/4
• 利用高頻實現(xiàn)小型化

應用范圍：

• 使高壓功率電路和低壓控制電路信號線實現(xiàn)絕緣

瑞薩電子開發(fā)出了面向混合動力車、電動汽車（EV）以及家電等中使用的馬達專用逆變器和開關電源使用的小型隔離（絕緣）技術1）。開發(fā)該項技術的目的是為了使100V～1kV等高壓功率電路部分和低電壓控制電路部分的信號線實現(xiàn)絕緣。絕緣通過標準CMOS技術形成的片上變壓器實施，因此能夠在MCU等控制逆變器的數(shù)字IC上輕松集成隔離器。由于光電耦合器等離散部件無需隔離器，因此有利于逆變器、IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）以及開關電源等電力轉換電路減小尺寸、削減部件個數(shù)（圖1）。

在絕緣型開關電源和交流馬達的驅動電路中，PWM信號等的絕緣一直使用光電耦合器（a）。如果能夠使用片上變壓器的話，就可以集成在微控制器上，因此可以大幅削減部件個數(shù)（b）。圖是根據(jù)瑞薩電子的資料制作而成的。

通過CMOS技術集成變壓器

目前，在逆變器和開關電源中，將電信號轉換為光信號從而實現(xiàn)絕緣的光電耦合器被廣泛使用。但是，光電耦合器需要GaAs和雙極CMOS等特殊的制造技術，因此難以集成在微控制器等數(shù)字IC上。尤其是驅動EV和家電等中使用的三相交流馬達時，PWM（脈寬調制）信號合計有六個，由此光電耦合器等隔離器也需要六個。此次開發(fā)的技術優(yōu)點是，通過省去這六個光電耦合器、驅動IGBT和MOSFET等開關元件的柵極驅動器，可以輕松地整合到微控制器的封裝內（圖1）。

目前瑞薩電子已經(jīng)結束了試制，投產(chǎn)時間未定，不過已經(jīng)得知瑞薩電子計劃今后在汽車、家電、太陽能電池以及醫(yī)療器械等方面推廣使用該技術。

變壓器面積降至原來的1/4

美國模擬器件（ADI）、美國芯科實驗室（Silicon Laboratories）以及德國英飛凌科技（Infineon Technologies）等已經(jīng)使采用片上變壓器的隔離器實現(xiàn)了實用化。此次技術與這些現(xiàn)有技術的不同之處在于，考慮到要集成在廉價的微控制器上，將變壓器的面積減小到了原來的1/4左右。具體情況是，通過電路技術的改進，將原來需要500μm左右的變壓器直徑降至230μm（表1）。

瑞薩將變壓器直徑降至230μm，是將EV等三相交流馬達用逆變器視作隔離器的主要用途的結果。在逆變器中，僅驅動馬達的PWM信號，就需要最低六通道的隔離器。如果是離散部件用片上變壓器那種500μm的直徑，僅此就會占用1.2mm2以上的芯片面積。瑞薩表示，“馬達控制用8～16bit微控制器的芯片尺寸，通常最大為2～3mm見方。要想在成本不會大幅上升的情況下集成六個變壓器，就需要將直徑控制在200～300μm”。

利用高頻實現(xiàn)小型化

能夠將變壓器面積降至1/4的原因，是為了利用發(fā)送的數(shù)字信號高頻而對電路進行了改進。變壓器利用電磁感應現(xiàn)象，因此是只能通過交流成分的一種高通濾波器。要想使信號通過230μm左右的小型變壓器，需要1GHz的高頻。但是，難以通過微控制器中使用的0.5μm工藝的成熟CMOS技術來輸出這種高頻。

為此，瑞薩電子決定利用變壓器傳輸發(fā)送的數(shù)字信號邊緣中含有的高頻成分。原因是，即便是驅動功率電路的低速開關頻率（幾十k～1MHz），如果是邊緣成分，也可以通過小型變壓器。另外，在接收側，將通過變壓器的幾百ps寬的高速脈沖信號，利用AM檢測中使用的峰值保持電路來擴大至2～3ns。這樣，0.54μm工藝、5V驅動的低速晶體管也可以檢測。