热仿真 | STMicroelectronics借助仿真技术应对电气化挑战

本文原刊登于Ansys.com：《Automotive Electrification Heats Up the Engineering Challenge for STMicroelectronics》

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑

编辑整理：郭晓东 | Ansys高级应用工程师

一个多世纪以来，内燃机一直是全球汽车行业关注的焦点。然而，在政府监管部门和消费者对高性能、节能、可持续性和低成本等电动汽车（EV）设计的迫切要求的推动下，一场变革正在悄然进行。美国政府为电动汽车制定了一系列宏大的目标，其中包括到2030年，在美国销售的所有汽车中，电动汽车需占据一半。欧洲议会和理事会制定了一个更宏伟的目标，即到2035年，所有新注册的汽车实现零排放，同时逐步减少总体排放。显然，这将创造一个巨大的市场机遇。事实上，到2030年，电动汽车的销售额预计将达到8237.5亿美元，年增长率为18.2%。

随着汽车制造商竞相将业界领先的电动汽车设计推向市场并获得竞争优势，其供应商网络承受的压力也随之增加。在占据主导地位的关键汽车组件中，半导体已成为重要的驱动力量。随着汽车向互联、自动驾驶和电动化方向的不断发展，半导体在日益发挥其核心作用，成为了现代汽车行业的支柱，其重要性常常超过钢铁和橡胶。

如今，汽车制造商从其半导体合作伙伴那里寻求的不仅仅是单个芯片。他们越来越依赖于可无缝集成到其电动汽车设计中的全功能模块或系统，从而简化其研发工作，降低内部工程成本，同时优化制造和物流流程。这不仅涉及芯片本身，还包括最大限度地提高半导体的整体性能所必需的各种相关组件。

全球汽车行业领先的半导体技术供应商意法半导体（STMicroelectronics，ST），采用整体芯片架构设计出一款用于电动汽车传动系统的电源模块，其中包括一种新组件——冷却水套。这种集成型散热器可确保电源模块的最佳性能，管理工作工程中的产热，并最大限度地减少对整个电动传动系统的共轭传热。

那么有哪些挑战呢？鉴于时间压力，以及电动传动系统模块整体芯片架构的任务关键型特性，ST工程师意识到热仿真应在开发阶段发挥关键作用。在意大利卡塔尼亚大学，由Stefano Mauro教授带领的研究小组在计算流体力学（CFD）领域处于领先地位，ST仿真工程师与卡塔尼亚大学合作，开始测试一种新的冷却水套设计，该设计将最大限度地减少与高密度封装结构、功能强大的模块相关的任何共轭传热。

从该新型电源模块的早期开发阶段开始，ST的仿真团队和研究人员就使用了Ansys Fluent软件。

Mauro教授解释道：“在设计此类全新系统时，我们需要考虑每一个可能影响冷却效率的因素——从基础材料和表面纹理到添加冷却剂后的流体特性和行为。我们既无法观察冷却室内部的真实情况，也不可能构建和测试数百个物理原型。而利用Fluent，我们不仅能够在虚拟环境中对冷却水套的独立性能以及其对更大型电源模块的作用进行仿真，还能够以一种极其快速、高效和具有成本效益的方式优化和验证散热器的可靠性。”   

首先，构建出金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的网格几何结构，以及用于固定的基板。然后，研究人员构建固定在基板下方的冷却水套，或散热器。他们使用一组预定义的边界条件和Fluent求解器设置，对冷却套内50:50的水和乙二醇混合物的流动进行仿真。

ST的电源模块产品设计包括安装在基板上的MOSFET，其可用作电源单元。下方是用作单元持续冷却系统的水套

该团队的大部分仿真工作都集中在优化散热器的整体几何结构上，通过将水和乙二醇混合物流经电源模块时的流体流动可视化，寻找可能发生湍流和涡流等问题的位置。研究人员对电源模块中输入和输出孔的数量，以及流道的形状和大小进行了研究。其中，重点是减少会降低冷却流程有效性的压降。Ansys SpaceClaim软件使该团队能够快速创建不同的几何外形模型，然后研究几何结构变化对输入和输出等关键元素的影响。 

通过Fluent的后处理功能，仿真工程师可以看到流体在流经各种输入、输出和通道时，如何在电源模块内发展变化。压降等问题可以被轻松识别并得到解决

Fluent网格划分软件使研究团队能够轻松优化计算网格，从而在准确性和计算时间之间实现最佳权衡。

借助Fluent的求解器功能，仿真团队还可对散热器内部表面纹理的影响进行深入研究。他们首先采用完全光滑的表面，然后逐渐增加粗糙度，以评估对内部流体流动和冷却效果的相关影响。光滑的表面有助于冷却剂的平稳流动，同时，损耗和压降最小，这似乎很直观。然而，该团队发现，随着表面粗糙度的增加，流体流动的分离实际上会减少。他们能够通过Fluent仿真迭代优化表面纹理，以实现最佳的冷却效果。

Mauro教授说道：“我们关于表面粗糙度的发现令人惊讶，对于产品开发团队而言，这实际上是个好消息，因为精细加工可能会产生非常高昂的成本。几天之内，我们就能在冷却效果方面取得许多重要发现，并验证最终设计。”

STMicroelectronics功率晶体管小组CAD与建模团队负责人Daniela Cavallaro表示：“Ansys Fluent快速、准确地解决这一全新工程挑战的能力，给我们留下了非常深刻的印象。” ST拥有庞大且优秀的内部研发团队，他们使用了众多Ansys解决方案，特别是在电磁学领域，探索流体力学的新概念，随着公司探索其它冷却应用，这些新概念将被证明是至关重要的。