仿真助力STMicroelectronics实现SiC模块设计

了解Ansys如何支持意法半导体在电动汽车应用开发方面取得成功，以推动新能源和工业解决方案的发展。

从个人便携式设备到电动汽车（EV），再到为所有这些设备提供支持的数据中心，电力电子产品正在各种创新技术的推动下快速发展。似乎每当有一款设备发布后，其新版本就会进一步拉高人们的期待值。

电力电子设备，也称为大功率电子产品，它们与通用电子产品不同，因为其涉及管理高电压和电流，半导体就是其中的一个关键示例。在微芯片中，这些高性能功率晶体管可高效传导大量电流，以实现高性能计算并满足各种技术的其他工作负载需求，而所有这些都需要在只有几毫米大小的空间内完成。

在电力电子行业，碳化硅（SiC）正成为备受关注的一种半导体材料。SiC是一种半导体和硅的替代方案，以其高导电性和低热膨胀性而著称，可实现高温应用。因此，它非常适合各种功率应用，包括：

• 电动汽车充电系统（逆变器）
• 能量处理（发电、转换、配电存储）
• 工业机器（制造工厂中的大众市场机器人）
• 数据中心的电源

如今，电动汽车和电力电子市场的快速扩张推动了对基于SiC的组件和系统的巨大需求。到2030年，电动汽车的销量预计将达到6,400万辆，是2022年销量的四倍，这意味着市场需要源源不断的碳化硅（SiC）器件供应。同时，基于该背景，最近的研究表明，因为具有较高的开关频率、热阻和击穿电压，SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）对于电动汽车动力总成的发展至关重要。

这对于半导体技术解决方案的领先企业STMicroelectronics而言，是一个好消息。ST率先推出了汽车级SiC MOSFET，并提供了STPOWER™ SiC器件，该器件已经为目前上路行驶的500多万辆乘用车提供动力。Ansys仿真技术可支持ST对影响最终电动汽车应用性能、鲁棒性和可靠性的各个方面进行评估。此外，其还通过帮助提高工业电源和可持续能源应用的效率、性能和可靠性，助力支持ST第三代碳化硅MOSFET在其他市场取得成功。

STMicroelectronics研发CAD和建模经理Gaetano Bazzano表示：“Ansys仿真使我们能够在汽车之外的应用领域进行扩展。SiC模块技术不仅对于提供可持续能源解决方案（如太阳能逆变器和储能）所需的电力电子产品至关重要，其在涉及电机驱动、电源和机器人的工业电源控制应用中同样发挥着重要作用。”

仿真助力解决热问题

组件和系统的电力电子性能与设计和制造中使用的材料（即导体、半导体和绝缘体）有关，因为它们提供不同程度的导电性。在这三种材料之中，半导体的导电性对于这些组件的开发至关重要，因为其可以根据能效、信号完整性、热管理和可靠性等方面的需求进行调节，以适应特定的应用场景。

如今，功率半导体SiC在包括电动汽车在内的各种电子应用中发挥着越来越重要的作用。其中，可靠性对于这些应用至关重要，这是因为上述大部分应用中，组件都必须承受极高的温度。根据其组成材料不同，每个系统中的电子组件都会在温度波动时，承受不同程度的热膨胀。组件之间的这些差异或形状变化可能会导致热应力，从而导致机械故障。

在Ansys Icepak中运行热机械仿真，有助于ST快速准确地评估其SiC功率模块设计在这些环境条件下的行为和完整性，并识别潜在的过早失效情况。工程师可以在虚拟环境中评估设备内的热量分布，然后识别并解决可能给系统造成应力并导致过热或失效的任何临界点。 

如何在开发过程中实现冷却折衷方案

将功率损耗降至最低固然重要，但大电流产生的热量会导致功率半导体模块失效，尤其是在高温环境中。因此，必须考虑高效的冷却机制，才能在不影响模块性能、可靠性、效率和使用寿命的前提下，保持连续输出的高功率密度。

在混合物中引入冷却技术可以提高传热速率，即半导体器件耗散热量的速率。然而，这些技术，可能会增加系统中的压降或冷却剂流动的阻力水平。这种增加反过来会使系统需要更多能量，来推动冷却流体（在本例中为空气或液体）在系统中流动，以实现组件冷却。压降还会降低传热速率，从而进一步影响系统效率。

因此，在传热速率和压降水平之间找到最佳的折衷方案，对于在各种汽车应用中实现最佳热性能至关重要。 

使用Ansys Mechanical将物理场整合在一起

ST工程师依靠机械仿真来评估整个模型模块的结构完整性，并考虑各种应力，包括运行过程中可能发生的振动、冲击和变形。通过在Ansys Mechanical中专注于特定模块设计，工程师可以优化给定的模块设计，以实现最佳的工作性能，从而降低失效风险并提高设备的整体可靠性。 

在Mechanical中运行机械仿真和热机械仿真，可获得有关功率模块在实际工作条件下的行为的重要洞察，从而确保其散热和可靠性。这种级别的分析有助于识别功率模块的临界点并进行设计修改，以提高其鲁棒性，同时最大限度地减少测试期间所需的（通常成本高昂的）物理原型次数。 

从dc+到dc-的电流密度图

所有这些物理场都是相互依赖的，它们在各个层级相互作用，因此必须对热、流体和机械效应一起进行分析，无论从纳米级晶体管器件到毫米级和厘米级SiC模块（如逆变器），均是如此。Ansys的真正多物理场、多尺度仿真解决方案为先进碳化硅模块的虚拟验证提供了合适的环境。

Bazzano表示：“机械和热机械仿真的有效性，对于我们的功率模块分析具有同等重要作用。我们在Mechanical中完成了这一分析，它是一款值得信赖的求解器，对于我们在开发过程中了解SiC MOSFET设计的结构完整性非常重要。得益于此，我们能够尽早发现潜在问题，并显著减少原型设计和开发活动。然后，我们可以通过尽早确定改进点，为客户缩短开发时间和降低内部工程成本。”

了解Ansys如何为电力电子系统（包括逆变器、转换器、传感器和半导体）提供系统级设计和优化解决方案。