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可靠性与测试 ★ 4.0

基于等效热阻模型的热电制冷器高效仿真与设计

Efficient Simulation and Design of Thermoelectric Cooler for Thermal Management Using Equivalent Thermal Resistance Model

作者 Longfei Li · Min Tang · Liang Chen
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年2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 电子系统热管理 一维等效热阻模型 多端口热阻网络 计算效率
语言:

中文摘要

本文提出了一种用于电子系统热管理中热电冷却器(TEC)模拟与设计的高效方法。首先,将整个电子系统划分为两个区域:热电装置区域(TDR)和非热电区域(NTR)。由于TDR包含大量具有非线性特性的热电装置,这对高效模拟和优化构成了严峻挑战。因此,我们提出了一种新颖的一维等效热阻模型(ETRM)来表征热电装置。另一方面,NTR主要包括陶瓷基板、热界面材料(TIM)、有源芯片和无源散热器,可将其视为线性系统。因此,采用宏建模技术将NTR对TDR的影响转化为界面处的多端口热阻网络(MTRN)。通过这种方式,TDR和NTR仅在端口处通过温度连续性和热流连续性条件进行耦合,并且可以快速求解所有端口的热通量。最后,利用端口热通量重建芯片周围的温度分布。由于TDR和NTR分别由等效模型(ETRM和MTRN)表征,因此显著降低了计算成本。多个数值算例验证了所提方法的准确性,与商业软件相比,计算效率提高了<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$29\times $ </tex-math></inline-formula>。

English Abstract

In this article, an efficient method is proposed to simulate and design thermoelectric coolers (TECs) for the thermal management of electronic systems. First, the entire electronic system is divided into two regions: the thermoelectric device region (TDR) and the nonthermoelectric region (NTR). Since the TDR contains a large number of thermoelectric devices with nonlinear characteristics, it poses a serious challenge to efficient simulation and optimization. Therefore, we propose a novel 1-D equivalent thermal resistance model (ETRM) to represent the thermoelectric device. On the other hand, the NTR mainly includes the ceramic substrate, thermal interface material (TIM), active chips, and passive heat sink, which can be treated as a linear system. Therefore, a macromodeling technique is employed to convert the influence of the NTR on the TDR into a multi-port thermal resistance network (MTRN) at the interface. By this means, the TDR and NTR are only coupled at the ports with the temperature continuity and heat flow continuity conditions, and the heat flux at all the ports can be quickly solved. Finally, the temperature distribution around the chips is reconstructed by the port heat flux. Since both TDR and NTR are represented by the equivalent models (ETRM and MTRN, respectively), the computational cost is significantly reduced. The accuracy of the proposed method is demonstrated by several numerical examples, and a speed-up of 29 in computational efficiency is achieved compared with the 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与设计技术具有重要的应用价值。在光伏逆变器和储能系统中,功率半导体器件(如IGBT、MOSFET)的热管理直接影响系统效率、可靠性和使用寿命。该论文提出的等效热阻模型(ETRM)和多端口热阻网络(MTRN)方法,能够在保证精度的前提下将计算效率提升29倍,这对于我们优化大功率设备的热设计具有显著意义。

在实际应用层面,该技术可直接支撑阳光电源1500V及以上高压系统的热管理优化。随着组串式逆变器和集中式逆变器功率密度持续提升,传统风冷和液冷方案在极端工况下面临挑战,而热电制冷技术能够实现局部精准温控,特别适合关键芯片的热点管理。该仿真方法的高效性使我们能够在产品开发阶段快速迭代热设计方案,缩短研发周期,降低实验成本。

对于储能系统而言,该技术同样具有延伸价值。虽然热电制冷器在大规模储能热管理中的直接应用受限于能效比,但其仿真方法论——将复杂非线性热电器件与线性热传导系统解耦建模的思路,可借鉴应用于电池包多物理场仿真,提升热-电耦合分析效率。

技术挑战主要在于热电制冷器本身的COP(制冷系数)和成本问题。目前该技术更适合应用于高附加值、小功率关键部件的精密温控,而非整机级热管理的主流方案。建议阳光电源关注该技术在混合热管理架构中的应用潜力,并持续跟踪新型热电材料的进展,为未来产品差异化竞争储备技术能力。