Ansys博客
September 12, 2023
Ansys optiSLang助力Wolfspeed创新
今年早些时候，美国总统乔·拜登开始了“投资美国”巡回访问，旨在彰显美国制造的创新和领导力。他的第一站是总部位于北卡罗来纳州达勒姆的Wolfspeed。对于大量大功率应用，Ansys这家客户正在通过引领从硅转向碳化硅（SiC）为半导体行业实现转型。Wolfspeed目前生产全球60%以上的SiC材料，而且该公司正在进行65亿美元的产能扩展，以大幅提高产量。
“很多人都不熟悉SiC，但其实它是理想的大功率电子产品半导体材料。作为传统硅材料的替代方案，它可在具有高输出需求的应用中提供大量性能优势，”Wolfspeed系统团队首席工程师Blake Nelson博士表示，
“在数字计算应用中，半导体公司可以在每平方毫米内集成数百万个晶体管，但在Wolfspeed，我们正在构建尺寸为一平方毫米的单个晶体管，因为其可为汽车动力总成和车载充电系统等应用提供更高的功率。”
据Nelson透露，SiC可为这些类型的严苛应用提供理想的材料属性，包括更高的带隙电压、更低的相对电阻，以及与硅相比，支持更优散热的热特性等。Wolfspeed基于SiC的晶体管可以在比硅材料更高的温度下可靠运行，并且开关速度更快，因此其可支持与电动汽车（EV）应用相关的900 V及1200 V应用。
Wolfspeed这款碳化硅（SiC）XM3半桥功率模块支持电动汽车1200 V的应用，超出了传统硅片封装的性能。
Nelson指出：“Wolfspeed的产品可以围绕传统硅片解决方案在大功率、高温应用中运行。我们正在重新定义晶体管的功能。”
拜登3月对达勒姆的访问证实，许多行业专家已经知道：Wolfspeed是推动汽车从内燃机向电动动力总成转型的全球性重要力量。此外，2022《Motor Trend》年度汽车全电动车Lucid Air采用了Wolfspeed设计的牵引逆变器。它将美国环保局官方估计的516英里续航里程与引人瞩目的1,050马力强劲动力融为一体。
车载充电器：被忽略的关键组件
电动汽车充电系统，是Nelson及其在Wolfspeed功率模块业务部的团队所关注的重点。
他讲道：“没有人会对充电系统给予太多的考虑。但如果要普及电动汽车，我们就需要大幅简化其在不同地点（包括家里）的充电过程。”
解决方案就是在每辆车上安装车载充电系统，该系统可轻松插入任何插座，从而可从车主家中获取交流电流，并将其转换为直流电源，为电池充电。车载电池充电器不仅是保持电动汽车动力的关键，而且通常还能从车辆本身收集动能，以便在制动时提供额外的充电。
Wolfspeed功率模块事业部的工程师正在以创新的方式应用Ansys解决方案，设计尺寸更小、重量更轻，但仍能产生高输出的车载充电系统。
Ansys仿真支持Wolfspeed的一系列产品开发工作。这款6.6 kW高频DC-DC转换器，负责从电池获取直流电源，并对电压进行转换和稳压，以满足前照灯等不同汽车系统的需求。
Nelson指出，该系统必须针对尺寸和重量进行优化，才能最大限度提高车辆的续航里程和能效。然而，传统硅片限制了这些系统在输出、尺寸和速度方面的表现。输入SiC。
Nelson道：“SiC可在支持高性能的同时，减少车载充电器的尺寸和重量，从而改进车载充电器。它可更快地进行开关，因此充电器设计可采用更高的开关频率。这就使得可以使用更小型的无源组件，例如更小的电容器和更小的变压器等。功率模块单元需实现的的目标之一是最大限度减少模块的重量和尺寸，因为笨重的大模块在某种程度上只会浪费汽车空间。”
Nelson团队的工作重点是，开发支持车载充电器的创新封装设计，以及开发支持快速加速的牵引逆变器等其它电动汽车组件。
他说：“我们的工作是用一块小小的SiC芯片与外部世界建立连接，以满足客户的所有需求。它必须能够隔离部件，以承载所有电流，并耗散芯片损耗产生的所有热量。同时，它还需要承受化学品泄漏以及温湿度等环境因素，并且需要针对冲击和振动等机械力进行设计。”
在设计SiC封装时，Wolfspeed还必须考虑连接性。
“芯片需要通过信号控制路径以及电源路径进行电气连接，才能让所有电流通过，”Nelson讲道，“需要与外部世界热接触，将芯片产生的热量散出。所有这些不仅带来了诸多设计复杂性，还带来了大量工程复杂性。”
Wolfspeed半桥功率模块的热仿真结果
创新产品离不开创新方法
Nelson和他在Wolfspeed功率模块部门的团队正在应用一套通过Ansys optiSLang整合的Ansys解决方案，设计并验证用于车载充电器、直流转换器，牵引逆变器等对于电动汽车大规模商业化至关重要的组件的封装设计。
该团队正在利用创新的optiSLang工作流程，将Ansys Electronics Desktop的电气仿真与Ansys Icepak的热仿真融合，创建一个闭环流程，该流程可预测安装在实际电动汽车工作环境中的SiC芯片的最终温度。据Nelson介绍，这种流程融合及设计优化解决方案非常适合其团队负责的各种复杂多物理场研究。
“芯片的电气属性主要取决于结温，因此不能孤立地去看性能的任何方面，”Nelson说道，“散热结果需要直接映射到电气仿真中，而且需要将精细化的功耗估算迭代回热分析中。利用Ansys optiSLang，我们能够收敛这些仿真并创建真正的闭环。”
Ansys Mechanical支持应力及应变分析，与此同时，结合Icepak有助于了解热膨胀产生的应力。Nelson道：“我们甚至会进行一些底板曲率优化，以从底板实现最佳的机械连接和热连接。
同样，我们也会对封装进行大量电磁分析。这就是预测感应性寄生和电阻性寄生。我们会了解磁耦合，尤其是电源和信号路径之间的磁耦合; 我们会关注封装的隔离。最后，我们还会优化热属性，特别是在加速等事件中，以散出器件中的能量和热量，以实现高性能。
目前市场上缺乏支持这种闭环分析的工具，但现在我们发现，Ansys optiSLang可以填补这一空白。利用该工具，我们可以为封装创建一种数字孪生，把目光放在真正的系统层面的性能上，即：电流输出将如何影响发热，而发热又会对电流输出产生怎样的影响。”
到2030年，电动汽车市场预计将扩大到近2,700万辆，预计该行业的主要参与者在不久的将来将投资超过3,500亿美元。在Ansys多物理场仿真的助力下，Wolfspeed通过创新的功率器件解决方案，已处于行业领先地位。
Nelson道：“Ansys的确正在通过支持更先进、更复杂的功率模块优化，推动我们的封装创新发展。从裸片几何结构到封装几何结构，Ansys可帮助我们创建自己的优化例程、映射以及庞大的优化集。我们对由Ansys optiSLang实现的闭环设计流程所带来的各种可能性感到非常振奋，也十分期待其推动Wolfspeed实现进一步产品创新。”
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