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可靠性与测试 可靠性分析 ★ 4.0

分段式热电制冷器在热点热管理中的瞬态热力特性

Transient thermo-mechanical characteristic of segmented thermoelectric cooler for hot-spot thermal management

作者 Aakash Mani · Jahar Sarkar
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年7月
技术分类 可靠性与测试
技术标签 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 分段式热电冷却器 瞬态性能 电流脉冲 分段腿比例 热冲击
语言:

中文摘要

热冲击、引脚设计和电流曲线也可能影响分段式热电冷却器(STEC)的瞬态性能和可靠性,但目前尚未有相关研究。因此,本研究对具有两种不同引脚几何形状(方形和圆形横截面)的STEC进行了详细的三维瞬态分析。研究了包括脉冲电流曲线、分段引脚比例和热冲击情况在内的各种运行条件对STEC的瞬态过冷、性能系数和热应力的影响。结果表明,在测试的电流脉冲形状中,二次电流脉冲表现出最佳的冷却性能,与在最佳电流下的稳态最低温度相比,方形引脚配置的温度降低了5.3 K,圆形引脚配置的温度降低了6.1 K。此外,分析强调了分段引脚比例的影响,热端与冷端分段长度比为7:3时,通过降低冷端温度提高了热性能。在热冲击条件下,高功率电流脉冲能有效降低峰值温度上升,同时保持合理的热应力水平。这些研究结果为优化用于热点冷却应用的STEC的设计和运行提供了有价值的见解,为开发更高效、可靠的下一代冷却系统铺平了道路。

English Abstract

Thermal shock, leg design, and current profile may also affect the transient performance and reliability of a segmented thermoelectric cooler (STEC), but it has not yet been studied. Hence, this study conducts a detailed 3-D transient analysis of STEC with two distinct leg geometries: square and circular cross-sections. Effects of various operational conditions, including pulse current profiles, segment leg ratios, and thermal shock scenarios, on the transient supercooling, coefficient of performance and thermal stress of STEC are investigated. The results indicate that the quadratic current pulse demonstrated the best cooling performance among the tested current pulse shapes, achieving temperature reductions of 5.3 K for squareleg and 6.1 K for circular-leg configurations compared to the steady-state minimum temperatures at optimal current. Additionally, the analysis highlights the influence of segment leg ratios, with a hot-side to cold-side segment length ratio of 7:3 showing improved thermal performance by achieving reduced cold-side temperature. Under thermal shock conditions, higher-power current pulses effectively minimized peak temperature rise while maintaining reasonable thermal stress levels. These findings provide valuable insights into optimizing the design and operation of STECs for hotspot cooling applications, paving the way for developing more efficient and reliable next-generation cooling systems.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项分段式热电制冷器(STEC)的瞬态热-机械特性研究具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能系统中,功率半导体器件(如IGBT、MOSFET)的局部热点问题一直是制约系统功率密度提升和可靠性保障的关键瓶颈。该研究提出的热电制冷技术为精准热点管理提供了新的解决思路。

该论文的核心价值在于系统分析了脉冲电流模式下STEC的瞬态超冷效应。研究表明,二次曲线电流脉冲可实现相比稳态工作5-6K的额外降温,这对于应对逆变器和储能变流器中瞬态功率峰值导致的热冲击具有实际意义。特别是7:3的热端-冷端分段比例优化设计,可为我们大功率设备的热管理模块设计提供参考依据。在储能系统频繁充放电切换场景下,这种快速响应的局部冷却能力可有效延长关键器件寿命。

从技术成熟度评估,热电制冷技术本身已较为成熟,但其能效系数(COP)仍是主要挑战。对于阳光电源而言,需要权衡热电制冷器的功耗与其带来的可靠性提升。该技术更适合应用于高价值、高可靠性要求的场景,如海上风电变流器、大型储能系统的关键功率模块,而非全面替代传统风冷或液冷方案。

建议关注的技术机遇包括:将STEC与现有液冷系统混合集成,实现分级热管理;结合AI算法优化脉冲电流控制策略,提升实际工况下的冷却效率;探索在氢能燃料电池系统和电动汽车功率电子中的应用潜力。这项技术的工程化落地需要跨学科协同,是值得前瞻性布局的技术方向。