Khi Tổng thống Hoa Kỳ Joe Biden bắt đầu chuyến công du “Đầu tư vào nước Mỹ” vào đầu năm nay nhằm nêu bật sự đổi mới và khả năng lãnh đạo trong sản xuất của Mỹ, điểm dừng chân đầu tiên của ông là tại Wolfspeed, có trụ sở chính tại Durham, Bắc Carolina. Khách hàng này của Ansys đang chuyển đổi ngành công nghiệp bán dẫn bằng cách dẫn đầu quá trình chuyển đổi từ silicon sang silicon cacbua (SiC) cho nhiều ứng dụng năng lượng cao. Wolfspeed hiện sản xuất hơn 60% vật liệu SiC của thế giới và công ty đang tham gia vào nỗ lực mở rộng công suất trị giá 6,5 tỷ USD để tăng sản lượng một cách đáng kể.
“Rất nhiều người không quen thuộc với SiC, nhưng đây là vật liệu bán dẫn lý tưởng cho các thiết bị điện tử công suất cao. Là một giải pháp thay thế cho silicon truyền thống, nó mang lại nhiều lợi thế về hiệu suất trong các ứng dụng có nhu cầu sản lượng cao”, Tiến sĩ Blake Nelson, kỹ sư trưởng nhóm hệ thống tại Wolfspeed cho biết.
“Trong khi các công ty bán dẫn đang lắp hàng triệu bóng bán dẫn vào một milimet vuông cho các ứng dụng điện toán kỹ thuật số thì tại Wolfspeed, chúng tôi đang chế tạo những bóng bán dẫn đơn lẻ có kích thước một milimet vuông. Chúng cung cấp năng lượng cao hơn nhiều cho các ứng dụng như hệ truyền động ô tô và hệ thống sạc trên xe.”
Theo Nelson, SiC có các đặc tính vật liệu lý tưởng cho các loại ứng dụng đòi hỏi khắt khe này, bao gồm điện áp dải tần cao hơn, điện trở tương đối thấp hơn và các đặc tính nhiệt cho phép tản nhiệt tốt hơn khi so sánh với silicon. Các bóng bán dẫn dựa trên SiC của Wolfspeed có thể hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với silicon và chuyển đổi nhanh hơn nhiều, cho phép chúng hỗ trợ các ứng dụng 900 V và 1200 V liên quan đến ứng dụng xe điện (EV).
Mô-đun nguồn nửa cầu XM3 bằng silicon cacbua (SiC) này của Wolfspeed hỗ trợ các ứng dụng 1.200 volt trong xe điện, vượt xa khả năng của các gói silicon truyền thống.
Nelson cho biết: “Các sản phẩm của Wolfspeed có thể chạy vòng quanh các giải pháp silicon truyền thống trong các ứng dụng năng lượng cao, nhiệt độ cao”. “Chúng tôi đang xác định lại khả năng của bóng bán dẫn.”
Chuyến thăm của Biden tới Durham vào tháng 3 đã xác nhận điều mà nhiều chuyên gia trong ngành đã biết: Wolfspeed là một thế lực toàn cầu trong phong trào chuyển đổi ô tô từ động cơ đốt trong sang hệ truyền động điện. Ngoài ra, Xe xu hướng động cơ của năm 2022 , Lucid Air chạy hoàn toàn bằng điện, có bộ biến tần lực kéo do Wolfspeed thiết kế. Nó kết hợp một chính thức EPA ước tính 516 dặm phạm vi với 1.050 mã lực ấn tượng.
Bộ sạc tích hợp: Một thành phần bị bỏ qua nhưng rất quan trọng
Hệ thống sạc cho xe điện là trọng tâm chính của Nelson và nhóm của ông trong đơn vị kinh doanh Mô-đun điện tại Wolfspeed.
“Không ai quan tâm nhiều đến hệ thống sạc,” ông nói. “Nhưng nếu xe điện trở nên phổ biến, chúng ta cần làm cho việc sạc chúng ở nhiều địa điểm trở nên dễ dàng hơn nhiều, kể cả ở nhà”.
Giải pháp là trang bị một hệ thống sạc tích hợp trên mọi phương tiện có thể dễ dàng cắm vào bất kỳ ổ cắm nào, lấy dòng điện xoay chiều từ nhà của chủ xe và chuyển đổi thành nguồn DC để sạc lại pin. Bộ sạc pin trên xe không chỉ là chìa khóa để duy trì năng lượng cho xe điện mà còn thường có khả năng thu động năng từ chính xe để cung cấp thêm điện khi phanh.
Các kỹ sư trong đơn vị kinh doanh Mô-đun điện của Wolfspeed đang áp dụng các giải pháp ANSYS theo những cách sáng tạo để thiết kế hệ thống sạc trên bo mạch có kích thước nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn nhưng vẫn có thể tạo ra hiệu suất cao.
Mô phỏng của ANSYS hỗ trợ nhiều nỗ lực phát triển sản phẩm tại Wolfspeed. Bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao 6,6 kW này có nhiệm vụ lấy nguồn DC từ pin và chuyển đổi, điều chỉnh điện áp để đáp ứng nhu cầu của các hệ thống ô tô đa dạng như đèn pha.
Nelson chỉ ra rằng hệ thống này phải được tối ưu hóa về kích thước và trọng lượng, để tối đa hóa cả phạm vi hoạt động và hiệu quả sử dụng năng lượng của xe. Tuy nhiên, silicon truyền thống đã làm cho các hệ thống này bị hạn chế rất nhiều về sản lượng, kích thước và tốc độ. Nhập SiC.
Nelson cho biết: “SiC có thể cải thiện các bộ sạc tích hợp bằng cách làm cho chúng nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều trong khi vẫn hỗ trợ hiệu suất cao”. “Bởi vì nó có thể chuyển đổi nhanh hơn nên thiết kế bộ sạc có thể dựa vào tần số chuyển đổi cao hơn. Điều đó cho phép bao gồm các thành phần thụ động nhỏ hơn, như tụ điện nhỏ hơn và máy biến áp nhỏ hơn. Một trong những mục tiêu của chúng tôi trong đơn vị Mô-đun nguồn là giảm thiểu trọng lượng và kích thước của khối này, ở một mức độ nào đó, điều này chỉ gây lãng phí không gian trong ô tô.”
Nhóm của Nelson tập trung phát triển các thiết kế gói cải tiến hỗ trợ bộ sạc tích hợp cũng như các thành phần EV khác như bộ biến tần lực kéo, hỗ trợ khả năng tăng tốc nhanh chóng.
Ông nói: “Công việc của chúng tôi là lấy một con chip nhỏ của SiC và kết nối nó với thế giới bên ngoài theo cách đáp ứng mọi nhu cầu của khách hàng. “Nó cần có khả năng cách ly các bộ phận để mang toàn bộ dòng điện đó và tiêu tán toàn bộ nhiệt sinh ra từ tổn thất xảy ra trong chip. Nó cần phải chịu được sự cố tràn hóa chất, cũng như các yếu tố môi trường như độ ẩm. Và nó cần phải được thiết kế để chịu được các lực cơ học như sốc và rung.”
Wolfspeed cũng phải xem xét khả năng kết nối trong việc thiết kế các gói SiC của mình.
Nelson cho biết: “Các con chip cần được kết nối bằng điện, cả từ đường dẫn điều khiển tín hiệu lẫn từ đường dẫn điện, để truyền toàn bộ dòng điện đó đi qua”. “Cần phải có giao tiếp nhiệt với thế giới bên ngoài để loại bỏ nhiệt từ chip. Tất cả những điều này làm tăng thêm sự phức tạp trong thiết kế, rất nhiều sự phức tạp về mặt kỹ thuật.”
Kết quả mô phỏng nhiệt cho mô-đun nguồn nửa cầu Wolfspeed
Sản phẩm đổi mới đòi hỏi một cách tiếp cận sáng tạo
Nelson và nhóm của ông trong đơn vị Mô-đun nguồn của Wolfspeed đang áp dụng một bộ giải pháp Ansys, được kết hợp thông qua Ansys optiSLang , để thiết kế và xác minh thiết kế gói của họ cho bộ sạc tích hợp, bộ chuyển đổi DC, bộ biến tần kéo và các thành phần khác cần thiết cho việc thương mại hóa xe điện rộng rãi .
Nhóm đang tận dụng quy trình làm việc optiSLang mới tích hợp mô phỏng điện trong Ansys Electronics Desktop với mô phỏng nhiệt trong Ansys Icepak để tạo ra quy trình vòng kín dự đoán nhiệt độ cuối cùng trong chip SiC được cài đặt trong môi trường vận hành EV trong thế giới thực. Theo Nelson, giải pháp tối ưu hóa thiết kế và tích hợp quy trình này phù hợp một cách lý tưởng với các loại nghiên cứu đa vật lý phức tạp mà nhóm của ông phụ trách.
Nelson nói: “Các đặc tính điện trong chip phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ tiếp giáp, vì vậy bạn không thể xem xét từng khía cạnh hiệu suất một cách riêng biệt”. “Các kết quả về nhiệt cần được ánh xạ trực tiếp tới mô phỏng điện và ước tính tổn thất điện năng tinh tế cần được lặp lại trong phân tích nhiệt. ANsys optiSLang cho phép chúng tôi hội tụ các mô phỏng đó và tạo ra một vòng khép kín thực sự.”
Ansys Mechanical hỗ trợ phân tích ứng suất và biến dạng, trong khi việc bổ sung Icepak cho phép xem xét ứng suất gây ra bởi sự giãn nở nhiệt. Nelson cho biết: “Chúng tôi thậm chí còn thực hiện một số tối ưu hóa độ cong của tấm đế để thực sự có được kết nối cơ học và nhiệt tốt nhất có thể từ các tấm đế của mình”.
“Tương tự như vậy, chúng tôi thực hiện rất nhiều phân tích điện từ cho các gói hàng của mình. Vì vậy, đó là dự đoán cả ký sinh quy nạp và điện trở. Chúng tôi xem xét khớp nối từ tính, đặc biệt là giữa đường nguồn và tín hiệu. Chúng tôi xem xét sự cô lập của gói. Và cuối cùng, chúng tôi tối ưu hóa các đặc tính tản nhiệt, đặc biệt là trong các sự kiện như tăng tốc, để loại bỏ năng lượng và nhiệt ra khỏi thiết bị nhằm hỗ trợ hiệu suất cao.
“Hiện nay, chúng tôi nhận thấy trên thị trường còn thiếu các công cụ hỗ trợ loại phân tích vòng kín đó cho đến khi chúng tôi phát hiện ra Ansys optiSLang có thể lấp đầy khoảng trống đó. Nó cho phép chúng tôi tạo ra một loại bản sao kỹ thuật số cho các gói của mình và xem xét hiệu suất thực sự ở cấp hệ thống — sản lượng hiện tại sẽ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình sản xuất nhiệt và ngược lại.”
Với việc thị trường xe điện dự kiến sẽ mở rộng lên gần 27 triệu chiếc vào năm 2030 , các công ty lớn trong ngành này dự kiến sẽ đầu tư hơn 350 tỷ USD trong tương lai gần. Wolfspeed được định vị để đóng vai trò dẫn đầu với các giải pháp thiết bị điện cải tiến, được hỗ trợ bởi mô phỏng đa vật lý của Ansys.
Nelson cho biết: “Ansys thực sự đang thúc đẩy các cải tiến về gói của chúng tôi bằng cách hỗ trợ tối ưu hóa mô-đun nguồn phức tạp và tiên tiến hơn”. “Từ hình học khuôn đến hình học gói, ANsys cho phép chúng tôi tạo các quy trình tối ưu hóa, ánh xạ và bộ tối ưu hóa khổng lồ của riêng mình. Chúng tôi thực sự vui mừng về tất cả các khả năng trong tương lai của quy trình thiết kế vòng kín được Ansys optiSLang hỗ trợ — và mức độ đổi mới sản phẩm mà quy trình này sẽ thúc đẩy tại Wolfspeed.”
Vina Aspire là công ty tư vấn, cung cấp các giải pháp, dịch vụ CNTT, An ninh mạng, bảo mật & an toàn thông tin tại Việt Nam. Đội ngũ của Vina Aspire gồm những chuyên gia, cộng tác viên giỏi, có trình độ, kinh nghiệm và uy tín cùng các nhà đầu tư, đối tác lớn trong và ngoài nước chung tay xây dựng.
Các Doanh nghiệp, tổ chức có nhu cầu liên hệ Công ty Vina Aspire theo thông tin sau:
Email: info@vina-aspire.com | Website: www.vina-aspire.com
Tel: +84 944 004 666 | Fax: +84 28 3535 0668
Vina Aspire – Vững bảo mật, trọn niềm tin
