电力电子器件短期过载散热新方法：基于相变材料（PCM）的热网络建模与实验验证

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Xingjian Shi（浙江大学浙江学院）、Bin Yu（南京信息工程大学/浙江大学）等团队，合作单位包括浙江大学电气工程学院。论文发表于2024年IEEE第10届国际电力电子与运动控制会议（IPEMC 2024-ECCE Asia），DOI编号10.1109/IPEMC-ECCEAsia60879.2024.10567348，并获得中国国家自然科学基金（LR24E070001、U2368206）等资助支持。

二、研究背景与目标
科学领域：电力电子器件热管理，聚焦短期过载（1-5秒）工况下的散热增强技术。
研究动机：在固态断路器、柔性直流输电（VSC-HVDC）等场景中，功率器件常需承受短期过载，但传统散热方案存在两难：若按过载需求设计散热能力，正常工况下将造成资源浪费（图1显示传统散热能力与温升呈线性关系）。现有研究多通过电网调度算法或拓扑优化间接降低过载概率，但均未提升器件本身的过载能力。
核心创新点：提出将相变材料（Phase Change Material, PCM）集成于TO-247封装器件的散热结构中，利用PCM在特定温度下吸收潜热的特性（图2），抑制短期过载时的结温上升，并建立一维热网络模型指导设计。

三、研究方法与流程
1. 散热结构设计
- 对象：TO-247封装的功率器件AFGHL50T65SQD。
- PCM选型：选用金属基PCM（InBi33.7），相变温度72.82℃，潜热21.27 J/g，但其导热系数（40-80 W/m·K）显著低于铜（401 W/m·K）。
- 结构优化：为避免PCM导热效率低的问题，设计铜基增强导热框架（图4），将PCM容器置于封装下方（图3），通过焊料层降低热阻。

2. 热网络建模
- 模型架构：建立八阶Cauer网络模型（图5），包含器件封装、焊料层、PCM容器和散热器四部分。
- 非线性处理：针对PCM动态熔化界面，提出简化假设——将潜热等效热容固定于容器中部，并引入积分模块模拟PCM吸热饱和失效（图6）。
- 参数计算：通过有限元仿真（FEM）提取PCM响应时间常数，结合材料体积分数、潜热和密度，计算热阻（Rpcm）与热容（Cpcm）（公式1-2）。

3. 实验验证
- 对照组设置：对比原始结构、纯铜块散热结构、PCM散热结构（图9）。
- 测试平台：使用光纤测温仪（Opsens Coresens，采样率1 kHz）实时监测芯片结温，实验平台模拟稳态初始温度70℃（图10-11）。
- 过载条件：25W、30W、35W过载功率，记录5秒内温升曲线（图12）。

四、主要结果
1. 散热性能
- 25W过载下，PCM结构5秒内温升仅12.5℃，较原始结构（23.2℃）降低45%，且响应延迟仅0.65秒（图12）。纯铜块结构温升21.5℃，证实PCM的高热容是降温主因。
- 循环过载测试（30W）显示，PCM在6次循环后完全熔化失效，结温波动加剧（图15），验证其短期吸热特性。

2. 模型精度
- 热网络模型与实验数据的误差%（图14），尤其在1.5秒后与FEM仿真结果高度吻合（图13）。短期误差源于器件封装层建模简化，但PCM主导的热容特性使长期预测更准确。

五、结论与价值
科学价值：
1. 提出首个针对短期过载（秒级）的PCM散热方案，突破传统PCM研究的长时尺度局限（10-1000秒）。
2. 开发一维热网络模型，简化多维非线性问题，为含PCM散热设计提供快速计算工具。

应用价值：
- 可集成于固态断路器、新能源变流器等需瞬时过载能力的场景，降低散热系统体积与成本。
- 模型节省设计资源，误差%的精度满足工程需求。

六、研究亮点
1. 材料-结构协同设计：铜基框架弥补PCM低导热缺陷，实现快速热响应。
2. 模型创新：首次将动态熔化界面简化为固定热容，平衡精度与计算复杂度。
3. 实验验证全面：通过对比实验排除铜框架干扰，光纤测温确保数据可靠性。

局限性：PCM吸热容量有限，需结合工况优化相变材料用量与循环冷却策略。未来可探索复合PCM或主动冷却混合方案。

（全文约2000字）