作者
Christophe Bianchi ｜Ansys 首席技術專家

電力電子技術（Power Electronics）又稱高功率電子技術，與一般電子電路不同，其核心在於高電壓與高電流的能量轉換與管理。半導體元件正是此領域的關鍵，能在極小的晶片中高效導通大電流，以支撐高速運算及多樣化的工作負載，推動各類高效能系統的運作。

碳化矽 — 引領高功率應用的關鍵材料

碳化矽（SiC）是目前電力電子產業中最受矚目的寬能隙半導體材料之一。相較於傳統矽（Si），SiC 具備高導電性、寬能隙、高熱導率及低熱膨脹係數等特性，使其能在高溫、高壓環境下穩定運作，特別適用於下列應用場域：

● 電動車充電系統與逆變器

● 能源轉換與儲能系統（發電、配電、電能管理）

● 工業自動化與機器人設備

● 資料中心電源模組

隨著人工智慧與雲端運算的蓬勃發展，資料中心的電力需求持續攀升。輝達創辦人暨執行長黃仁勳曾指出，AI伺服器的耗電量將從千瓦（kW）級別躍升至百萬瓦（MW）級別，未來電力需求可能激增近百倍。傳統的 54V 架構在銅耗、空間與轉換效率上已接近極限，伺服器機櫃若仍維持既有電壓系統，將面臨嚴重的能量損耗與散熱挑戰。而未來這種高壓、快速開關的電力環境，就需要透過SiC等寬能隙器件，才能把效率與功率拉上去。
（資料來源：經濟日報 新聞部新媒體中心／徐建峰整理）

Ansys 助力意法半導體推進第三代 SiC MOSFET 模組設計

以意法半導體（STMicroelectronics）為例，其研發 CAD 與建模經理 Gaetano Bazzano 表示：

「Ansys 模擬技術使我們得以將 SiC 模組應用拓展至汽車以外的市場。這項技術對太陽能逆變器與儲能系統等永續能源方案至關重要，同時也支援工業機器、電源及機器人等高功率控制應用。」

流體速度流線

模擬加速創新：從熱分析到結構可靠性驗證

電力電子元件和系統的性能取決於其設計和製造所使用的材料——即導體、半導體和絕緣體。其中，半導體的導電性對這些元件的開發至關重要，因為它們可以根據特定的應用，在能源效率、訊號完整性、熱管理和可靠性方面進行調整。

在 SiC 功率元件應用中，熱可靠性尤為關鍵。這些元件必須能承受高溫環境下的熱應力，因不同材料的熱膨脹差異容易造成結構變形與應力集中，進而引發機械性失效。

在Ansys Icepak中運行熱機械模擬，意法半導體能夠快速且準確地評估其 SiC 功率模組設計在這些環境條件下的行為和完整性，並識別潛在的過熱或疲勞風險。工程師可據此優化散熱設計，確保模組在高功率密度下仍具穩定性與可靠性。

電源模組熱圖、單開關溫度行為

如何在開發過程中取得最佳散熱平衡

ST 工程師進一步運用 Ansys Mechanical 進行結構與熱模擬分析，評估模組在實際運作中的應力分佈、振動、衝擊及變形行為。 透過Ansys Mechanical中的特定模組設計，工程師可以優化給定模組設計，以實現最佳運行效能，進而降低故障風險並提高設備整體可靠性。 這種層級的分析能夠識別電源模組的關鍵點，並進行設計修改以提高其穩健性，同時最大限度地減少實體原型數量與測試成本。

從 dc+ 到 dc- 的電流密度圖

多物理場模擬：驅動碳化矽模組的虛擬驗證

這些物理場都是相互依存的。必須同時分析熱效應、流體效應和機械效應，因為它們在各個層面相互作用，從奈米級電晶體裝置到毫米級和厘米級的 SiC 模組（例如逆變器）。

Ansys 真正的多物理場、多尺度模擬解決方案為先進碳化矽模組的虛擬驗證提供了合適的環境。可協助工程師在虛擬環境中預測實際性能、驗證設計可靠性，並加速新一代碳化矽模組的研發進程。

Bazzano 表示：

「在功率模組分析過程中，結構和熱機械模擬的有效性對我們同樣重要。Ansys Mechanical 是我們信賴的求解器，幫助我們在早期即掌握 SiC MOSFET 設計的結構完整性。因此，我們能夠及早發現潛在問題，顯著降低原型開發與測試成本。」

資料來源: Ansys Blog