ANSYS 部落格
September 12, 2023
Ansys optiSLang 為 Wolfspeed 注入創新動能
今年稍早，美國總統 Joe Biden 展開「投資美國」巡迴行程，旨在突顯美國製造的創新與領導地位，而他首站便造訪了總部位於北卡羅來納州德罕市的 Wolfspeed。這家 Ansys 客戶正引領多種高功率應用從矽轉型至碳化矽 (SiC)，藉此徹底改變半導體產業。Wolfspeed 目前生產全球超過 60% 的 SiC 材料，並正投入 65 億美元進行產能擴張，以大幅提升產量。
「許多人對 SiC 不太熟悉，但它是高功率電子的理想半導體材料。作為傳統矽的替代材料，它在有高輸出需求的應用中提供了諸多效能優勢。」Wolfspeed 系統團隊首席工程師 Blake Nelson 博士表示。
「當其他半導體公司致力於在一平方毫米內塞入數百萬個電晶體以因應數位運算應用，我們 Wolfspeed 則在打造面積為一平方毫米的單一電晶體。這些電晶體能為汽車動力系統與車載充電系統等應用提供遠高於傳統電晶體的功率。」
根據 Nelson 所說，SiC 擁有非常適合這類高需求應用的材料特性，包括更高的能隙電壓、更低的相對電阻，以及比矽更為優異的熱特性，可提供更好的散熱能力。Wolfspeed 的 SiC 型電晶體可在遠高於矽的溫度下穩定運作，且開關速度更快，使其能支援 900V 與 1200V 應用等電動車 (EV) 相關應用。
這種碳化矽 (SiC) XM3 半橋功率模組支援 1,200 伏特的電動車應用，這超出了傳統矽封裝的能力範圍。
「在高功率與高溫應用方面，Wolfspeed 的產品能遙遙領先傳統矽解決方案。」Nelson 表示。「我們正在重新定義電晶體的極限。」
Biden 在三月造訪德罕更證實了許多業界專家早已知悉的一點：Wolfspeed 是推動汽車從內燃機轉向電動動力系統的全球重要推手。此外，榮獲 2022 年《Motor Trend》年度風雲車殊榮的全電動 Lucid Air，其牽引變流器就是由 Wolfspeed 設計。該車同時擁有 EPA 官方預估 516 英里的續航力與高達 1,050 匹馬力的優異表現。
車載充電器：常被忽略但至關重要的元件
對 Nelson 與其所屬 Wolfspeed 功率模組業務單位的團隊而言，電動車的充電系統是一項關鍵重點。
「大多數人不太關注充電系統。」他說道。「但若要讓電動車普及，我們就必須讓人們能更容易地在住家等各種地點充電。」
解決方案是在每輛電動車中內建車載充電系統，使其能輕鬆插入任何插座，從車主家中取得交流電，再將其轉換為直流電來為電池充電。車載電池充電器不僅是維持電動車續航的關鍵，它們通常也能從車輛自身回收動能，並在煞車時額外提供充電能量。
Wolfspeed 功率模組業務單位的工程師正以創新的方式運用 Ansys 解決方案，藉此設計體積更小、重量更輕，但仍可產生高輸出的車載充電系統。
Ansys 模擬技術支援 Wolfspeed 的多項產品開發工作。這款 6.6 千瓦高頻 DC-DC 轉換器的作用是從電池取得直流電，並將其轉換與調節電壓，以符合頭燈等各種汽車系統的需求。
Nelson 指出，該系統必須針對尺寸與重量進行最佳化，以最大化車輛的續航力與能源效率。然而，傳統的矽使這些系統在輸出、體積與速度上受到很大限制。SiC 因此成為解方。
「SiC 能夠改良車載充電器，讓它們變得更小、更輕，同時支援高效能。」Nelson 表示。「由於它能以更快速度切換，充電器設計就能採用更高的切換頻率。這讓我們能夠加進更小型的被動元件，例如體積更小的電容與變壓器。我們功率模組部門的其中一個目標就是盡可能減少這個模塊的重量與體積，因為它在某種程度上很浪費車中空間。」
Nelson 的團隊致力於開發創新的封裝設計，不僅支援車載充電器，還包含牽引變流器等支援電動車快速加速的元件。
「我們的工作就是以滿足客戶所有需求的方法，將一小片 SiC 晶片與外界相互連接。」他說。「它必須能夠隔離不同部分以承載全部電流，並釋放晶片發生損耗所產生的熱量。它也必須能抵抗化學品滲漏，以及濕氣與濕度等環境因素。此外，其設計還必須考慮到衝擊與震動等機械力。」
Wolfspeed 在設計其 SiC 封裝時，也必須考慮到連線能力。
「晶片必須在訊號控制路徑與電源路徑兩方面都保持良好的電氣連接，才能順利傳輸所有電流。」Nelson 說道。「必須有散熱界面與外界相互連接，才能排出晶片的熱能。這一切加總起來，便造就了高度的設計與工程複雜性。」
Wolfspeed 半橋功率模組的熱模擬結果
創新產品需要創新方法
Wolfspeed 功率模組部門的 Nelson 與其團隊運用一整套透過 Ansys optiSLang 整合的 Ansys 解決方案，來設計並驗證推動電動車商業化時所需的車載充電器、DC 轉換器、牽引變流器以及其他元件的封裝設計。
該團隊運用一套創新的 optiSLang 工作流程，將 Ansys Electronics Desktop 中的電子模擬與 Ansys Icepak 中的熱模擬整合並建立封閉迴路流程，預測 SiC 晶片安裝在實際電動車運作環境時的最終溫度。根據 Nelson 的說法，這種流程整合與設計最佳化解決方案非常適合其團隊所負責的複雜多物理場研究。
「晶片的電路屬性高度仰賴接面溫度，因此無法單獨評估任何一項性能指標。」Nelson 表示。「熱分析結果必須直接對應電子模擬，而經過完善的功率損耗估算也必須反覆帶回熱分析中。Ansys optiSLang 讓我們能融合這些模擬，並建立真正的封閉迴圈。」
Ansys Mechanical 支援應力與應變分析，而 Icepak 的加入則讓我們能夠觀察由熱膨脹所造成的應力。「我們甚至會進行基板曲率的最佳化，以在基板獲得最佳的機械與熱連接效果。」Nelson 表示。
「此外，我們也針對封裝進行大量電磁分析。這包括預測電感與電阻寄生。我們也會觀察磁耦合現象，特別是在電源與訊號路徑之間。我們檢查封裝的隔離能力。最後，我們也會最佳化散熱性能，尤其是在加速等事件中，以排出裝置中的能量與熱量，並維持高效能運作。
「我們發現，目前市面缺乏能夠支援這類封閉迴路分析的工具，直到我們發現 Ansys optiSLang 能填補這個空缺。它讓我們能為封裝建立數位孿生，並觀察真正的系統層級效能—例如電流輸出如何影響熱產生，反之亦然。」
隨著電動車市場預計將在 2030 年前擴展至近 2,700 萬輛，產業中的主要業者也預計將在近期投資超過 3,500 億美元。Wolfspeed 憑藉 Ansys 多物理模擬所支援的創新功率元件解決方案，已準備好在市場中發揮領導作用。
「透過支援更加進階且複雜的功率模組最佳化，Ansys 將推動我們的封裝創新」Nelson 表示。「從晶粒幾何結構到封裝幾何結構，Ansys 讓我們能建立專屬的最佳化流程、映射與大量最佳化組合。就 Ansys optiSLang 所帶來的封閉迴路設計流程，我們對它的未來可能性充滿期待—它將在 Wolfspeed 推動產品創新。」
深入瞭解 Ansys optiSLang 如何為您提供協助。