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可靠性与测试
★ 4.0
基于等效热流模型与多端口热导网络的热电制冷器高效仿真
Efficient Simulation of Thermoelectric Cooler Based on Equivalent Heat Flux Model and Multi-Port Thermal Conductance Network
| 作者 | Longfei Li · Min Tang · Liang Chen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 热电冷却器 一维等效热流模型 多端口热导网络 边界压缩方法 温度分布重建 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于模拟电子封装热管理中所采用的热电冷却器(TEC)的高效方法。首先,将求解区域划分为三个不同的区域:热电装置区域(TDR)、散热器区域(HSR)以及集成电路与封装区域(ICPR)。为解决因热电腿的非线性特性导致的 TDR 计算效率低下问题,我们提出了一种新颖的一维等效热流模型(EHFM)来表示原始的三维结构。同时,将 HSR 和 ICPR 视为线性系统,并将它们对 TDR 的热效应在界面处转化为多端口热导网络(MTCN)。通过这种方式,不同区域仅在端口处通过温度和热流连续性条件进行耦合。此外,我们提出了边界压缩方法(BCM)和本征正交分解(POD)来提高 MTCN 的构建效率。最后,基于端口热流重构 ICPR 内的温度分布,该端口热流是由耦合的 EHFM 和 MTCN 推导得出的。数值算例验证了所提方法的有效性和高效性,与商业软件相比,计算速度提升了 139 倍。
English Abstract
This article presents an efficient approach for the simulation of thermoelectric coolers (TECs) employed in thermal management of electronic packaging. The solution domain is initially classified into three distinct regions: the thermoelectric device region (TDR), the heat sink region (HSR), and the integrated circuit and package region (ICPR). To address the low computational efficiency in TDR caused by the nonlinear characteristics of TEC legs, we propose a novel 1-D equivalent heat flux model (EHFM) to represent the original 3-D structures. Meanwhile, the HSR and ICPR are treated as linear systems, and their thermal effects on the TDR are transformed into a multiport thermal conductance network (MTCN) at the interface. By this means, different regions are coupled only at the ports through the temperature and heat flow continuity conditions. Moreover, we propose a boundary compression method (BCM) and proper orthogonal decomposition (POD) to enhance the construction efficiency of the MTCN. Finally, the temperature distribution within the ICPR is reconstructed based on the port heat flux, which is derived from the coupled EHFM and MTCN. The validity and efficiency of the proposed method are illustrated through numerical examples, achieving a 139 speedup compared with commercial software.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项热电制冷器高效仿真技术具有重要的应用价值。在光伏逆变器和储能系统领域,功率半导体器件的热管理一直是影响系统可靠性和效率的核心问题。随着产品功率密度不断提升,IGBT、SiC等功率器件的散热需求日益严峻,热电制冷器作为一种主动式热管理方案,可为局部热点提供精准温控。
该论文提出的等效热流模型和多端口热导网络方法,将仿真速度提升139倍,这对产品开发周期具有显著价值。在逆变器和储能变流器的设计阶段,我们需要反复优化热管理方案,传统3D热仿真耗时长,难以支持快速迭代。该技术通过区域解耦和降阶建模,在保证精度的前提下大幅提升计算效率,可显著缩短从设计到验证的周期,加速产品上市时间。
从技术成熟度看,该方法针对电子封装热管理场景,与我们的功率电子产品高度契合。边界压缩法和POD技术的引入,使其具备处理复杂几何结构的能力,适用于多芯片并联、多层PCB等实际工况。然而,实际应用仍面临挑战:一是热电材料非线性特性在宽温度范围内的模型精度验证;二是与现有CFD仿真流程的集成;三是热电制冷器在新能源装备中的成本效益评估。
建议关注该技术在储能系统电池热管理中的拓展应用,特别是针对局部过热电芯的主动冷却。同时可探索与数字孪生技术结合,构建产品全生命周期的热管理优化平台,提升阳光电源在热设计领域的技术竞争力。