学术研究报告：基于相变材料封装的功率模块过载能力瞬态热特性研究

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为重庆大学电气工程学院的Zheng Zeng（曾正），合作作者包括Yuxi Liang（梁玉西）、Peng Sun（孙鹏）、Yiming Gong（龚一鸣）等，英国华威大学Li Ran（冉立）参与协作。研究成果发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》2025年12月刊（Vol. 40, No. 12），标题为《Transient Thermal Characterization and Assessment of Power Module with Encapsulated Phase Change Material toward Overload Capability》。

二、学术背景与研究目标
在可再生能源、电动汽车和航空航天领域，功率模块常因负载波动或短路故障面临瞬时过载，导致结温骤升并超出安全操作区（Safe Operating Area, SOA）。相变材料（Phase Change Material, PCM）通过相变吸热可抑制瞬态温升，但其集成面临成本高、工艺复杂、稳态热阻增加等问题，且缺乏标准化的热评估模型。本研究提出以石蜡（paraffin wax）原位替代硅凝胶（silicone gel）的封装方案，旨在开发一种低成本、工艺兼容的高过载能力功率模块，并建立瞬态热阻抗模型与量化评估标准。

三、研究流程与方法
1. 模块设计与封装
- 研究对象：以Infineon FS820R08A6P2 IGBT模块为原型，移除原硅凝胶后注入熔化石蜡，顶部覆盖环氧树脂以解决密封问题（图9）。
- 创新工艺：通过原位替换避免传统PCM集成对封装结构的复杂改造，保留稳态热阻（0.12 K/W）的同时降低制造成本。

1. 热阻抗建模

   • 改进Cauer模型：针对石蜡相变瞬态特性，引入温度依赖的热容函数（公式1），将固态/液态比热容（(c{ps})、(c{pl})）、潜热（(l_m)）和相变温度范围（(\delta t)）分段建模（图3b）。
     
   • 关键参数：石蜡热阻（(R{thpw})）置于热容（(C{thpw})）之前，以反映热量先传导至PCM层再积累的物理过程。
     

2. 多物理场仿真验证

   • 参数分析：通过有限元模拟（图5）揭示石蜡熔化过程（10 ms启动，10 s完全液化）与温度扩散的同步性。
     
   • 敏感性研究：对比热导率（(k)）、潜热、密度和厚度对热阻抗的影响（图7），发现热导率对瞬态响应影响最大（敏感性δ=23.5%，表III）。
     

3. 实验验证

   • 热阻抗测试：依据JESD51-14标准，测量硅凝胶与石蜡封装模块的结-流体热阻抗（(Z_{thjf})）。结果显示石蜡模块的瞬态热阻抗降低13.4%，过载3倍时结温降低16°C（图10, 图13a）。
     
   • 转换器级验证：搭建H桥电路（图12），证实石蜡模块可将过载持续时间从5秒延长至8秒（图13b）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 瞬态热阻抗优化：石蜡模块的相变瞬态热阻抗（(Z_{thpc})）为0.006 K/W，其热缓冲效应通过δzth曲线（图6）量化，峰值对应最优过载时长3.6秒。
2. 参数影响机制：热导率主导瞬态响应，而增加PCM厚度仅对1秒后的热缓冲有效（图7d），为材料选型提供依据。
3. 实验一致性：仿真与实测的δzth误差仅4%（图8），验证了温度非线性依赖模型的准确性。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次提出以热阻抗为导向的PCM模块评估标准（(Z_{thpc})），填补了瞬态热特性建模与量化分析的空白。
2. 应用价值：石蜡封装方案兼容现有工艺，稳态热阻不变（0.12 K/W），为高过载需求场景（如电网故障穿越）提供可靠解决方案。

六、研究亮点
1. 方法创新：开发温度依赖热容模型，精准刻画相变平台现象；提出“相变瞬态热阻抗”作为核心评价指标。
2. 工程意义：通过原位替换实现低成本、高兼容性封装，避免传统PCM集成的结构复杂性与可靠性风险。

七、其他发现
- 温度均匀性：石蜡封装未显著改善并联芯片的温度一致性（表II），因PCM热扩散角较小，需结合底部散热优化。
- 冷却条件影响：冷却液流速升高会削弱PCM层的热缓冲贡献（图10c），提示系统设计中需平衡瞬态与稳态散热需求。

本研究为下一代高过载能力功率模块的封装设计与热管理评估提供了理论框架和实践范例。