本文原刊登于Ansys Blog：《Toshiba Speeds Up the Verification of Automotive Semiconductors with Simulation, Model-Based Development, and Digital Twins》

作者：Graziella Alves | Ansys產(chǎn)品營銷經(jīng)理

編輯整理：張旭 | Ansys高級應(yīng)用工程師

隨著電氣化趨勢的發(fā)展，汽車設(shè)備逐年變得更加復(fù)雜。為了滿足技術(shù)需求，設(shè)備制造商正在推動由仿真驅(qū)動的開發(fā)，以獲得具有預(yù)測性的設(shè)計洞察，縮短生產(chǎn)時間并降低原型制作成本。

在處理汽車系統(tǒng)的電氣組件和電路時，準確仿真熱和電磁干擾（EMI）尤為重要，因為這是與系統(tǒng)可靠性相關(guān)的最關(guān)鍵的特性。然而，為了最有效地仿真這些特性，首先需要將精確的半導(dǎo)體器件模型整合到系統(tǒng)中，這通常需要漫長的分析時間。

通過集成Ansys Twin Builder，東芝電子元件及存儲裝置株式會社開發(fā)出一種解決方案，通過創(chuàng)建基于模型的開發(fā)（MBD）技術(shù)Accu-ROM來簡化該流程。Accu-ROM與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合使用，可在半導(dǎo)體器件集成到系統(tǒng)中時加速熱和EMI特性的仿真與驗證。

這項嵌入在Twin Builder中的新技術(shù)消除了不必要的計算，將仿真時間縮短近90%，并將驗證速度加快6倍。

東芝擁有一系列對汽車電氣化至關(guān)重要的半導(dǎo)體產(chǎn)品，重點集中在汽車逆變器、電池管理系統(tǒng)和電機驅(qū)動部分。這些產(chǎn)品的應(yīng)用包括電動轉(zhuǎn)向（EPS）、電動水泵和電動空調(diào)風(fēng)扇。

東芝的眾多汽車產(chǎn)品和應(yīng)用一覽

過去，東芝工程師將半導(dǎo)體元件和基板模型作為獨立單元進行驗證，但當(dāng)這些組件安裝在實際系統(tǒng)中時，驗證工作就變得更具挑戰(zhàn)性。他們希望減輕這一負擔(dān)，并為客戶提供整個系統(tǒng)的參考模型，包括基板和散熱器，而不僅僅是獨立單元的半導(dǎo)體器件模型。

該團隊認為，MBD技術(shù)不僅可以為此類設(shè)計難題提供解決方案，同時還可以在制作原型之前加速驗證流程。為了開發(fā)Accu-ROM仿真技術(shù)，東芝選擇了Twin Builder，這是一種開放式解決方案，有助于工程師利用混合分析創(chuàng)建基于仿真的數(shù)字孿生，混合分析是一套將物理和數(shù)據(jù)相結(jié)合的機器學(xué)習(xí)（ML）工具。

特別是，降階模型（ROM）功能使該團隊能夠根據(jù)其他Ansys工具求解的結(jié)果生成尺寸縮小的模型。此外，將這些模型輕松連接到Twin Builder的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真的重要部分。

東芝半導(dǎo)體研發(fā)中心封裝解決方案技術(shù)開發(fā)部研究員Motochika Okano博士表示：“Ansys Twin Builder滿足了我們解決問題的需求，因為它可以與其他Ansys工具結(jié)合使用，以構(gòu)建將電氣、熱和機械單元考慮在內(nèi)的系統(tǒng)仿真，同時，它還可以讀取通用格式，例如以集成電路為重心的仿真程序（SPICE）和用于模擬和混合信號的超高速集成電路硬件描述語言（VHDL-AMS）。”

Twin Builder 使用 Ansys 結(jié)構(gòu)、流體、電磁和半導(dǎo)體等產(chǎn)品生成的降階模型 (ROM) 來對各類應(yīng)用進行建模，包括機械裝配體、熱網(wǎng)絡(luò)、電磁致動器和信號完整性

該團隊還依靠Twin Builder用類似的系統(tǒng)級方法來設(shè)計EPS系統(tǒng)。當(dāng)使用傳統(tǒng)方法或單個物理仿真驗證單元時，設(shè)計往往比較局限，側(cè)重于非常具體的條件，并在該條件范圍內(nèi)進行驗證。

或者，通過在系統(tǒng)級使用多物理場仿真，他們可以同時仿真電氣和機械系統(tǒng)等多個單元。這意味著驗證可以在實際運行中產(chǎn)生的載荷下實時進行，從而實現(xiàn)更大程度的優(yōu)化。

盡管如此，納入各種單元的仿真需要漫長的分析時間，進而導(dǎo)致設(shè)計和驗證時間延長，但Accu-ROM采用MBD方法可以簡化該驗證流程。

與東芝的早期技術(shù)不同，Accu-ROM將機械組件和電路分開計算，首先驗證機械組件，然后簡化機械組件的模型。接下來，該技術(shù)將驗證整個系統(tǒng)，包括其電路，這種方法可避免在驗證過程中對不必要的機械組件進行耗時的計算。

該圖可在東芝開關(guān)模式電源庫中找到，其描繪了有源鉗位 DC/DC 的 SPICE 模型

通過單獨評估電路，該模型可自動從SPICE模型中生成VHDL-AMS模型。利用VHDL-AMS模型，工程師和設(shè)計人員可以將驗證范圍限制在熱和EMI噪聲等基本參數(shù)，從而簡化驗證流程。

因此，東芝鼓勵使用Accu-ROM技術(shù)，以支持高散熱和低噪聲汽車半導(dǎo)體的開發(fā)，使客戶更輕松地使用東芝的產(chǎn)品并驗證系統(tǒng)。此外，Accu-ROM還可用于其他應(yīng)用中的半導(dǎo)體，包括家用電器和工業(yè)設(shè)備。

無論何種應(yīng)用，該技術(shù)都將幫助各行業(yè)的工程師和設(shè)計人員在短時間內(nèi)以高精度仿真熱和EMI，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化，包括電氣、熱和機械組件。

Okano表示：“仿真可幫助我們開發(fā)更高性能的產(chǎn)品。此外，通過為MBD開發(fā)仿真模型并將其提供給我們的客戶，還可以顯著減少客戶驗證產(chǎn)品的時間和成本。因此，我們相信，從業(yè)務(wù)角度來看，我們已經(jīng)提高了產(chǎn)品的吸引力。”

東芝工程師的報告顯示，他們使用Twin Builder和Accu-ROM技術(shù)取得了重大成果，包括系統(tǒng)運行的仿真時間縮短了90%，驗證時間從30天縮短至5天。

Twin Builder使用Ansys結(jié)構(gòu)、流體、電磁（EM）和半導(dǎo)體產(chǎn)品生成的ROM為機械裝配體、電磁致動器和機器設(shè)備、電路和電纜寄生效應(yīng)、熱網(wǎng)絡(luò)以及信號完整性進行建模。ROM還可以從各種第三方工具導(dǎo)入。

Okano指出：“Ansys工具可以準確仿真各種物理現(xiàn)象，例如電氣、熱和機械系統(tǒng)，并且利用這些工具所獲得的特性可以集成到單個系統(tǒng)中進行仿真。”

Accu-ROM 可通過 Ansys 客戶門戶的“下載>當(dāng)前版本”訪問

想要在Twin Builder中安裝Accu-ROM，請前往Ansys客戶門戶：https://support.ansys.com/Home/HomePage，然后選擇下載>當(dāng)前版本>附加軟件包>Accu-ROM電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

Ansys Twin Builder 是一款融合多個技術(shù)的平臺，現(xiàn)已推出試用申請，歡迎點擊下方圖片立即申請30天免費試用，了解更多詳情