技術(shù)特性：

• 通過(guò)CMOS技術(shù)集成變壓器
• 變壓器面積降至原來(lái)的1/4
• 利用高頻實(shí)現(xiàn)小型化

應(yīng)用范圍：

• 使高壓功率電路和低壓控制電路信號(hào)線實(shí)現(xiàn)絕緣

瑞薩電子開(kāi)發(fā)出了面向混合動(dòng)力車、電動(dòng)汽車（EV）以及家電等中使用的馬達(dá)專用逆變器和開(kāi)關(guān)電源使用的小型隔離（絕緣）技術(shù)1）。開(kāi)發(fā)該項(xiàng)技術(shù)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(hào)線實(shí)現(xiàn)絕緣。絕緣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)形成的片上變壓器實(shí)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(wú)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(kāi)關(guān)電源等電力轉(zhuǎn)換電路減小尺寸、削減部件個(gè)數(shù)（圖1）。

在絕緣型開(kāi)關(guān)電源和交流馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電路中，PWM信號(hào)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(gè)數(shù)（b）。圖是根據(jù)瑞薩電子的資料制作而成的。

通過(guò)CMOS技術(shù)集成變壓器

目前，在逆變器和開(kāi)關(guān)電源中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)從而實(shí)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(shù)，因此難以集成在微控制器等數(shù)字IC上。尤其是驅(qū)動(dòng)EV和家電等中使用的三相交流馬達(dá)時(shí)，PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)合計(jì)有六個(gè)，由此光電耦合器等隔離器也需要六個(gè)。此次開(kāi)發(fā)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)省去這六個(gè)光電耦合器、驅(qū)動(dòng)IGBT和MOSFET等開(kāi)關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)器，可以輕松地整合到微控制器的封裝內(nèi)（圖1）。

目前瑞薩電子已經(jīng)結(jié)束了試制，投產(chǎn)時(shí)間未定，不過(guò)已經(jīng)得知瑞薩電子計(jì)劃今后在汽車、家電、太陽(yáng)能電池以及醫(yī)療器械等方面推廣使用該技術(shù)。

變壓器面積降至原來(lái)的1/4

美國(guó)模擬器件（ADI）、美國(guó)芯科實(shí)驗(yàn)室（Silicon Laboratories）以及德國(guó)英飛凌科技（Infineon Technologies）等已經(jīng)使采用片上變壓器的隔離器實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。此次技術(shù)與這些現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于，考慮到要集成在廉價(jià)的微控制器上，將變壓器的面積減小到了原來(lái)的1/4左右。具體情況是，通過(guò)電路技術(shù)的改進(jìn)，將原來(lái)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(dá)用逆變器視作隔離器的主要用途的結(jié)果。在逆變器中，僅驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的PWM信號(hào)，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(huì)占用1.2mm2以上的芯片面積。瑞薩表示，“馬達(dá)控制用8～16bit微控制器的芯片尺寸，通常最大為2～3mm見(jiàn)方。要想在成本不會(huì)大幅上升的情況下集成六個(gè)變壓器，就需要將直徑控制在200～300μm”。

利用高頻實(shí)現(xiàn)小型化

能夠?qū)⒆儔浩髅娣e降至1/4的原因，是為了利用發(fā)送的數(shù)字信號(hào)高頻而對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)。變壓器利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，因此是只能通過(guò)交流成分的一種高通濾波器。要想使信號(hào)通過(guò)230μm左右的小型變壓器，需要1GHz的高頻。但是，難以通過(guò)微控制器中使用的0.5μm工藝的成熟CMOS技術(shù)來(lái)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(hào)邊緣中含有的高頻成分。原因是，即便是驅(qū)動(dòng)功率電路的低速開(kāi)關(guān)頻率（幾十k～1MHz），如果是邊緣成分，也可以通過(guò)小型變壓器。另外，在接收側(cè)，將通過(guò)變壓器的幾百ps寬的高速脈沖信號(hào)，利用AM檢測(cè)中使用的峰值保持電路來(lái)擴(kuò)大至2～3ns。這樣，0.54μm工藝、5V驅(qū)動(dòng)的低速晶體管也可以檢測(cè)。