本文原刊登于Ansys.com：《Simulation Enables SiC Module Designs at STMicroelectronics》

作者： Christophe Bianchi | Ansys首席技術專家

編輯整理：張偉偉 | Ansys 高級應用工程師

“我們在Mechanical中完成了這一分析，它是一款值得信賴的求解器，對于我們在開發過程中了解SiC MOSFET設計的結構完整性非常重要。得益于此，我們能夠盡早發現潛在問題，并顯著減少原型設計和開發活動。然后，我們可以通過盡早確定改進點，為客戶縮短開發時間和降低內部工程成本。”

——Gaetano Bazzano，意法半導體研發CAD和建模經理

了解Ansys如何支持意法半導體在電動汽車應用開發方面取得成功，以推動新能源和工業解決方案的發展。

從個人便攜式設備到電動汽車（EV），再到為所有這些設備提供支持的數據中心，電力電子產品正在各種創新技術的推動下快速發展。似乎每當有一款設備發布后，其新版本就會進一步拉高人們的期待值。

電力電子設備，也稱為大功率電子產品，它們與通用電子產品不同，因為其涉及管理高電壓和電流，半導體就是其中的一個關鍵示例。在微芯片中，這些高性能功率晶體管可高效傳導大量電流，以實現高性能計算并滿足各種技術的其他工作負載需求，而所有這些都需要在只有幾毫米大小的空間內完成。

在電力電子行業，碳化硅（SiC）正成為備受關注的一種半導體材料。SiC是一種半導體和硅的替代方案，以其高導電性和低熱膨脹性而著稱，可實現高溫應用。因此，它非常適合各種功率應用，包括：

• 電動汽車充電系統（逆變器）
• 能量處理（發電、轉換、配電存儲）
• 工業機器（制造工廠中的大眾市場機器人）
• 數據中心的電源

碳化硅晶圓

如今，電動汽車和電力電子市場的快速擴張推動了對基于SiC的組件和系統的巨大需求。到2030年，電動汽車的銷量預計將達到6,400萬輛，是2022年銷量的四倍，這意味著市場需要源源不斷的碳化硅（SiC）器件供應。同時，基于該背景，最近的研究表明，因為具有較高的開關頻率、熱阻和擊穿電壓，SiC金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）對于電動汽車動力總成的發展至關重要。

這對于半導體技術解決方案的領先企業意法半導體（STMicroelectronics）而言，是一個好消息。ST率先推出了汽車級SiC MOSFET，并提供了STPOWER? SiC器件，該器件已經為目前上路行駛的500多萬輛乘用車提供動力。Ansys仿真技術可支持ST對影響最終電動汽車應用性能、魯棒性和可靠性的各個方面進行評估。此外，其還通過幫助提高工業電源和可持續能源應用的效率、性能和可靠性，助力支持ST第三代碳化硅MOSFET在其他市場取得成功。

意法半導體研發CAD和建模經理Gaetano Bazzano表示：“Ansys仿真使我們能夠在汽車之外的應用領域進行擴展。SiC模塊技術不僅對于提供可持續能源解決方案（如太陽能逆變器和儲能）所需的電力電子產品至關重要，其在涉及電機驅動、電源和機器人的工業電源控制應用中同樣發揮著重要作用。”

流體速度流線

仿真助力解決熱問題

組件和系統的電力電子性能與設計和制造中使用的材料（即導體、半導體和絕緣體）有關，因為它們提供不同程度的導電性。在這三種材料之中，半導體的導電性對于這些組件的開發至關重要，因為其可以根據能效、信號完整性、熱管理和可靠性等方面的需求進行調節，以適應特定的應用場景。

如今，功率半導體SiC在包括電動汽車在內的各種電子應用中發揮著越來越重要的作用。其中，可靠性對于這些應用至關重要，這是因為上述大部分應用中，組件都必須承受極高的溫度。根據其組成材料不同，每個系統中的電子組件都會在溫度波動時，承受不同程度的熱膨脹。組件之間的這些差異或形狀變化可能會導致熱應力，從而導致機械故障。

在Ansys Icepak中運行熱機械仿真，有助于ST快速準確地評估其SiC功率模塊設計在這些環境條件下的行為和完整性，并識別潛在的過早失效情況。工程師可以在虛擬環境中評估設備內的熱量分布，然后識別并解決可能給系統造成應力并導致過熱或失效的任何臨界點。 

如何在開發過程中實現冷卻折衷方案

將功率損耗降至最低固然重要，但大電流產生的熱量會導致功率半導體模塊失效，尤其是在高溫環境中。因此，必須考慮高效的冷卻機制，才能在不影響模塊性能、可靠性、效率和使用壽命的前提下，保持連續輸出的高功率密度。

在混合物中引入冷卻技術可以提高傳熱速率，即半導體器件耗散熱量的速率。然而，這些技術，可能會增加系統中的壓降或冷卻劑流動的阻力水平。這種增加反過來會使系統需要更多能量，來推動冷卻流體（在本例中為空氣或液體）在系統中流動，以實現組件冷卻。壓降還會降低傳熱速率，從而進一步影響系統效率。

因此，在傳熱速率和壓降水平之間找到最佳的折衷方案，對于在各種汽車應用中實現最佳熱性能至關重要。 

電源模塊熱圖，考慮了屬于同一開關的不平衡芯片

使用Ansys Mechanical將物理場整合在一起

ST工程師依靠機械仿真來評估整個模型模塊的結構完整性，并考慮各種應力，包括運行過程中可能發生的振動、沖擊和變形。通過在Ansys Mechanical中專注于特定模塊設計，工程師可以優化給定的模塊設計，以實現最佳的工作性能，從而降低失效風險并提高設備的整體可靠性。

在Mechanical中運行機械仿真和熱機械仿真，可獲得有關功率模塊在實際工作條件下的行為的重要洞察，從而確保其散熱和可靠性。這種級別的分析有助于識別功率模塊的臨界點并進行設計修改，以提高其魯棒性，同時最大限度地減少測試期間所需的（通常成本高昂的）物理原型次數。

從dc+到dc-的電流密度圖

所有這些物理場都是相互依賴的，它們在各個層級相互作用，因此必須對熱、流體和機械效應一起進行分析，無論從納米級晶體管器件到毫米級和厘米級SiC模塊（如逆變器），均是如此。Ansys的真正多物理場、多尺度仿真解決方案為先進碳化硅模塊的虛擬驗證提供了合適的環境。

Bazzano表示： “機械和熱機械仿真的有效性，對于我們的功率模塊分析具有同等重要作用。我們在Mechanical中完成了這一分析，它是一款值得信賴的求解器，對于我們在開發過程中了解SiC MOSFET設計的結構完整性非常重要。得益于此，我們能夠盡早發現潛在問題，并顯著減少原型設計和開發活動。然后，我們可以通過盡早確定改進點，為客戶縮短開發時間和降低內部工程成本。”

產品小貼士

• Ansys Icepak是一款用于電子熱管理的CFD求解器。它可以預測IC封裝、PCB、電子裝配體/外殼和電力電子設備中的氣流、溫度和傳熱。

Ansys Mechanical是業界領先的有限元求解器，具有結構、熱學、聲學、瞬態和非線性功能，可幫助改進建模。