本文原刊登于Ansys.com：《Ansys optiSLang Charges Up Innovation at Wolfspeed》

作者： Mazen El Hout | Ansys產(chǎn)品市場營銷高級經(jīng)理

編輯整理：葉一帆 | Ansys 高級應(yīng)用工程師

“目前市場上缺乏支持這種閉環(huán)分析的工具，但現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，Ansys optiSLang可以填補(bǔ)這一空白。利用該工具，我們可以為封裝創(chuàng)建一種數(shù)字孿生，把目光放在真正的系統(tǒng)層面的性能上，即：電流輸出將如何影響發(fā)熱，而發(fā)熱又會對電流輸出產(chǎn)生怎樣的影響。”

—— Blake Nelson博士，Wolfspeed系統(tǒng)團(tuán)隊首席工程師

此前，美國前總統(tǒng)喬·拜登進(jìn)行了“投資美國”巡回訪問，旨在彰顯美國制造的創(chuàng)新和領(lǐng)導(dǎo)力。他的第一站是總部位于北卡羅來納州達(dá)勒姆的Wolfspeed。對于大量大功率應(yīng)用，Ansys這家客戶正在通過引領(lǐng)從硅轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）為半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。Wolfspeed目前生產(chǎn)全球60%以上的SiC材料，而且該公司正在進(jìn)行65億美元的產(chǎn)能擴(kuò)展，以大幅提高產(chǎn)量。

“很多人都不熟悉SiC，但其實(shí)它是理想的大功率電子產(chǎn)品半導(dǎo)體材料。作為傳統(tǒng)硅材料的替代方案，它可在具有高輸出需求的應(yīng)用中提供大量性能優(yōu)勢，”Wolfspeed系統(tǒng)團(tuán)隊首席工程師Blake Nelson博士表示，“在數(shù)字計算應(yīng)用中，半導(dǎo)體公司可以在每平方毫米內(nèi)集成數(shù)百萬個晶體管，但在Wolfspeed，我們正在構(gòu)建尺寸為一平方毫米的單個晶體管，因?yàn)槠淇蔀槠噭恿偝珊蛙囕d充電系統(tǒng)等應(yīng)用提供更高的功率。” 

據(jù)Nelson透露，SiC可為這些類型的嚴(yán)苛應(yīng)用提供理想的材料屬性，包括更高的帶隙電壓、更低的相對電阻，以及與硅相比，支持更優(yōu)散熱的熱特性等。Wolfspeed基于SiC的晶體管可以在比硅材料更高的溫度下可靠運(yùn)行，并且開關(guān)速度更快，因此其可支持與電動汽車（EV）應(yīng)用相關(guān)的900 V及1200 V應(yīng)用。

Nelson指出： “Wolfspeed的產(chǎn)品可以圍繞傳統(tǒng)硅片解決方案在大功率、高溫應(yīng)用中運(yùn)行。我們正在重新定義晶體管的功能。”

拜登對達(dá)勒姆的訪問證實(shí)，許多行業(yè)專家已經(jīng)知道：Wolfspeed是推動汽車從內(nèi)燃機(jī)向電動動力總成轉(zhuǎn)型的全球性重要力量。此外，2022《Motor Trend》年度汽車全電動車Lucid Air采用了Wolfspeed設(shè)計的牽引逆變器。它將美國環(huán)保局官方估計的516英里續(xù)航里程與引人矚目的1,050馬力強(qiáng)勁動力融為一體。

車載充電器：被忽略的關(guān)鍵組件

電動汽車充電系統(tǒng)，是Nelson及其在Wolfspeed功率模塊業(yè)務(wù)部的團(tuán)隊所關(guān)注的重點(diǎn)。

他講道：“沒有人會對充電系統(tǒng)給予太多的考慮。但如果要普及電動汽車，我們就需要大幅簡化其在不同地點(diǎn)（包括家里）的充電過程。”

解決方案就是在每輛車上安裝車載充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可輕松插入任何插座，從而可從車主家中獲取交流電流，并將其轉(zhuǎn)換為直流電源，為電池充電。車載電池充電器不僅是保持電動汽車動力的關(guān)鍵，而且通常還能從車輛本身收集動能，以便在制動時提供額外的充電。

Nelson指出，該系統(tǒng)必須針對尺寸和重量進(jìn)行優(yōu)化，才能最大限度提高車輛的續(xù)航里程和能效。然而，傳統(tǒng)硅片限制了這些系統(tǒng)在輸出、尺寸和速度方面的表現(xiàn)。

Nelson說： “SiC可在支持高性能的同時，減少車載充電器的尺寸和重量，從而改進(jìn)車載充電器。它可更快地進(jìn)行開關(guān)，因此充電器設(shè)計可采用更高的開關(guān)頻率。這就使得可以使用更小型的無源組件，例如更小的電容器和更小的變壓器等。功率模塊單元需實(shí)現(xiàn)的的目標(biāo)之一是最大限度減少模塊的重量和尺寸，因?yàn)楸恐氐拇竽K在某種程度上只會浪費(fèi)汽車空間。”

Nelson團(tuán)隊的工作重點(diǎn)是，開發(fā)支持車載充電器的創(chuàng)新封裝設(shè)計，以及開發(fā)支持快速加速的牽引逆變器等其它電動汽車組件。

他說：“我們的工作是用一塊小小的SiC芯片與外部世界建立連接，以滿足客戶的所有需求。它必須能夠隔離部件，以承載所有電流，并耗散芯片損耗產(chǎn)生的所有熱量。同時，它還需要承受化學(xué)品泄漏以及溫濕度等環(huán)境因素，并且需要針對沖擊和振動等機(jī)械力進(jìn)行設(shè)計。”

在設(shè)計SiC封裝時，Wolfspeed還必須考慮連接性。

“芯片需要通過信號控制路徑以及電源路徑進(jìn)行電氣連接，才能讓所有電流通過，”Nelson講道，“需要與外部世界熱接觸，將芯片產(chǎn)生的熱量散出。所有這些不僅帶來了諸多設(shè)計復(fù)雜性，還帶來了大量工程復(fù)雜性。”

創(chuàng)新產(chǎn)品離不開創(chuàng)新方法

Nelson和他在Wolfspeed功率模塊部門的團(tuán)隊正在應(yīng)用一套通過Ansys optiSLang整合的Ansys解決方案，設(shè)計并驗(yàn)證用于車載充電器、直流轉(zhuǎn)換器，牽引逆變器等對于電動汽車大規(guī)模商業(yè)化至關(guān)重要的組件的封裝設(shè)計。

該團(tuán)隊正在利用創(chuàng)新的optiSLang工作流程，將Ansys Electronics Desktop的電氣仿真與Ansys Icepak的熱仿真融合，創(chuàng)建一個閉環(huán)流程，該流程可預(yù)測安裝在實(shí)際電動汽車工作環(huán)境中的SiC芯片的最終溫度。據(jù)Nelson介紹，這種流程融合及設(shè)計優(yōu)化解決方案非常適合其團(tuán)隊負(fù)責(zé)的各種復(fù)雜多物理場研究。

“芯片的電氣屬性主要取決于結(jié)溫，因此不能孤立地去看性能的任何方面，”Nelson說道，“散熱結(jié)果需要直接映射到電氣仿真中，而且需要將精細(xì)化的功耗估算迭代回?zé)岱治鲋小＠肁nsys optiSLang，我們能夠收斂這些仿真并創(chuàng)建真正的閉環(huán)。”

Ansys Mechanical支持應(yīng)力及應(yīng)變分析，與此同時，結(jié)合Icepak有助于了解熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。Nelson道： “我們甚至?xí)M(jìn)行一些底板曲率優(yōu)化，以從底板實(shí)現(xiàn)最佳的機(jī)械連接和熱連接。

同樣，我們也會對封裝進(jìn)行大量電磁分析。這就是預(yù)測感應(yīng)性寄生和電阻性寄生。我們會了解磁耦合，尤其是電源和信號路徑之間的磁耦合; 我們會關(guān)注封裝的隔離。最后，我們還會優(yōu)化熱屬性，特別是在加速等事件中，以散出器件中的能量和熱量，以實(shí)現(xiàn)高性能。

目前市場上缺乏支持這種閉環(huán)分析的工具，但現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，Ansys optiSLang可以填補(bǔ)這一空白。利用該工具，我們可以為封裝創(chuàng)建一種數(shù)字孿生，把目光放在真正的系統(tǒng)層面的性能上，即：電流輸出將如何影響發(fā)熱，而發(fā)熱又會對電流輸出產(chǎn)生怎樣的影響。”

到2030年，電動汽車市場預(yù)計將擴(kuò)大到近2,700萬輛，預(yù)計該行業(yè)的主要參與者在不久的將來將投資超過3,500億美元。在Ansys多物理場仿真的助力下，Wolfspeed通過創(chuàng)新的功率器件解決方案，已處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

Nelson說： “Ansys的確正在通過支持更先進(jìn)、更復(fù)雜的功率模塊優(yōu)化，推動我們的封裝創(chuàng)新發(fā)展。從裸片幾何結(jié)構(gòu)到封裝幾何結(jié)構(gòu)，Ansys可幫助我們創(chuàng)建自己的優(yōu)化例程、映射以及龐大的優(yōu)化集。我們對由Ansys optiSLang實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)設(shè)計流程所帶來的各種可能性感到非常振奮，也十分期待其推動Wolfspeed實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步產(chǎn)品創(chuàng)新。”

目前，Ansys開放optiSLang軟件的免費(fèi)試用，歡迎點(diǎn)擊鏈接進(jìn)行申請：

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產(chǎn)品小貼士

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