模擬技術協助 STMicroelectronics 進行 SiC 模組設計

瞭解 Ansys 如何支援 ST 成功進行電動車應用開發，進而推動新能源與工業領域的解決方案。

從我們隨身攜帶的個人裝置，到駕駛的電動車 (EV)，再到支援其運作的資料中心，電力電子正處於快速發展並不斷創新的軌道上。幾乎每有一款新裝置問世，隨之而來的下一代裝置都將再次突破我們的期待。

電力電子 (又稱高功率電子) 與一般電子不同，其涉及高電壓與高電流的管理，而半導體正是其中的關鍵元件。在微晶片內部，這些高效能功率電晶體可有效傳導大量電流，不僅能實現高效能運算，更能滿足各種技術的其他工作負載需求，而這一切都濃縮於僅數毫米大小的晶片中。

碳化矽 (SiC) 是目前在電力電子產業中備受矚目的一種半導體材料。它是半導體和矽的替代材料，並以其高導電性與低熱膨脹係數而聞名，可用於高溫應用中。這使得 SiC 特別適合以下多種電力應用：

• 電動車充電系統 (變流器)
• 能源處理 (發電、轉換、配送、儲存)
• 工業機器 (製造工廠中的大眾市場機器人)
• 資料中心的電源供應

如今，電動車與電力電子市場的快速擴張，帶動 SiC 型元件與系統需求急遽上升。預估至 2030 年，電動車銷售量將達到 6,400 萬輛 (約為 2022 年的四倍)，而這將需要穩定提供的 SiC 元件為電動車提供電力。為此，近期研究指出，SiC 金屬氧化物場效電晶體 (MOSFET) 將成為推動 EV 動力系統進步的關鍵，原因在於其高切換頻率、耐熱性與崩潰電壓。

這對身為半導體技術解決方案領導者的 STMicroelectronics 來說是個大好消息。ST 首創車用等級 SiC MOSFET，並已開始供應 STPOWER™ SiC 裝置，為全球超過 500 萬輛已經上路的乘用車提供動力。Ansys 的模擬技術支援 ST 全面評估影響電動車最終應用效能、穩健性與可靠度的各項面向。Ansys 同時協助提升工業電源與永續能源應用的效率、效能與可靠度，從而支援 ST 的第三代碳化矽 MOSFET 在其他市場取得成功。

「Ansys 的模擬技術讓我們能夠從汽車市場進一步擴展至更多領域。」STMicroelectronics 研發部 CAD 與建模經理 Gaetano Bazzano 表示。「SiC 模組技術對於提供永續能源解決方案 (如太陽能變流器與能源儲存裝置) 所需的電力電子產品至關重要。同樣地，它在涵蓋馬達驅動器、電源供應器與機器人的工業電力控制應用中也扮演關鍵角色。」

模擬揭示高溫挑戰

電力電子元件與系統的效能取決於其設計與製造所採用的材料函數 (即導體、半導體與絕緣體)，這些材料各自具備不同程度的導電性。在這三類裝置中，半導體的導電性對這類元件的發展尤為關鍵，因為其可透過調整來符合特定應用的能源效率、訊號完整性、熱管理與可靠度。

現今，在可靠度至關重要的等多種電子應用 (包含電動車) 中，功率半導體 SiC 在扮演的角色日益重要。這是因為這些應用大多需要承受極端高溫。依據其組成，隨著溫度變化，各系統中電子元件會產生不同程度的熱膨脹。這些差異或元件間的形狀變化會產生熱應力，進而導致機械性損壞。

ST 可在 Ansys Icepak 中進行熱機械模擬，以快速且精準地評估其 SiC 電源模組設計在特定環境條件下的行為與完整性，並找出潛在的早期故障。在這個虛擬環境中，工程師可評估裝置內部的熱分佈，並找出可能造成系統壓力且導致過熱或故障的臨界點，再加以處理。 

如何在開發過程中兼顧冷卻

雖然將功率損耗降至最低十分重要，但大量電流所產生的熱能可能導致功率半導體模組失效，特別在高溫環境下更是如此。因此，必須考慮採用高效率的冷卻機制，以維持高功率密度並實現連續輸出，同時兼顧模組的效能、可靠度、效率與壽命。

將冷卻技術引入混合技術中可提升熱傳遞速率，也就是將熱能從半導體裝置導出的速率。但同樣的冷卻技術也可能造成壓降上升，或增加系統中冷卻液流動的阻力。壓降增加將導致系統需消耗更多能量，以推動冷卻液 (在此情況下為空氣或液體) 流經系統來冷卻元件。壓降也會降低熱傳遞速率，進一步影響整體系統效率。

因此，在熱傳遞速率與壓降程度之間達到最佳平衡，是在各類汽車應用中實現最佳熱效能的關鍵。 

利用 Ansys Mechanical 全面整合

ST 工程師依賴機械模擬來評估整體模型模組的結構完整性。模擬中會考量運作期間可能產生的各類應力，包括震動、衝擊與變形等。工程師可在 Ansys Mechanical 中聚焦於特定模組設計，從而針對其峰值運作效能進行最佳化，以降低故障風險並全面提升元件可靠度。 

在 Mechanical 中執行機械與熱機械模擬，即可深入瞭解電源模組於實際運作條件下的行為，確保其具備適當散熱能力與可靠性。此等級的分析能識別電源模組的臨界點並進行設計修正，以提升其穩健性，同時大幅減少測試期間所需 (且通常相當昂貴的) 實體原型製作次數。 

從 dc+ 到 dc− 的電流密度圖

這些物理現象彼此互相依存。熱、流體與機械效應之間會在各個層級產生交互作用，從奈米級的電晶體裝置到毫米與公分規模的 SiC 模組 (如變流器)，因此必須一同進行分析。Ansys 的真正多重物理量、多尺度模擬解決方案提供合適環境，可用於先進碳化矽模組的虛擬驗證。

「在電源模組分析時，機械與熱機械模擬的功效對我們同樣重要。」Bazzano 表示。「我們會在 Mechanical 中解決此類分析，這套求解器深受我們信任，對於在開發期間掌握 SiC MOSFET 設計的結構完整性非常關鍵。因此，我們能及早識別潛在問題，大幅減少原型製作與開發活動。透過及早發現可改進之處，我們也能為客戶縮短開發時程並降低內部工程成本。」

深入瞭解 Ansys 如何為電力電子系統 (包括變流器、轉換器、感應器與半導體) 提供系統級設計與最佳化解決方案。