一、研究背景
随着电力电子技术向高功率密度、高可靠性方向快速发展，功率器件作为电能转换与控制的核心元件，已广泛应用于交通运输、航空航天、新能源发电等关键领域。然而，日益严苛的运行工况和不断缩小的散热空间，使功率器件的热失效风险持续加剧。当器件结温超过热安全边界时，其开关速度、通态压降、损耗等关键特性会发生剧烈漂移，极端情况下甚至引发器件乃至系统级的级联失效。因此，如何有效控制功率器件结温、提升其过流能力，成为电力电子热管理领域亟待解决的重要问题。
早在2006年，D.A. Murdock等人首次提出了功率器件主动热管理方法的概念及实现框架。该方法通过对器件结温的实时监测与反馈，主动调节器件损耗以抑制结温波动并防范过热击穿。此后，国内外学者相继提出了基于频率滞环控制、母线电压优化、开关频率调节、可切换栅极电阻驱动等策略。这些方法在一定程度上改善了功率器件的热安全性，但其本质仍是通过器件内部电气变量调节来限制结温上升，并未改变器件外部散热条件，导致对器件过流性能的提升空间有限。
在此背景下，亟需引入新型外部主动温控手段。热电制冷器（TEC）作为一种新兴温控设备，具有体积紧凑、响应迅速、高可靠性等显著优势，已在锂离子电池热管理、航天器精密控温、光伏与辐射制冷结合等领域得到应用。然而，将TEC与功率器件热管理相结合的研究目前仍比较有限。基于此，南京理工大学杨毅、祖玮、应展烽提出了一种基于TEC和器件损耗控制的主动热管理方法，以功率MOSFET为研究对象，通过引入TEC作为外部主动制冷单元，同时结合器件内部损耗控制，构建了功率MOSFET-TEC一体化耦合非线性热网络模型，并开展了系统的实验验证。
二、实验原理
该研究的核心在于构建功率MOSFET与TEC的耦合非线性热网络模型，并在此基础上实现三闭环协同控制。在物理结构上，TEC冷端通过高导热胶带与功率MOSFET封装底面紧密贴合，TEC热端则贴合于顶部散热器，形成高度耦合的散热结构。TEC内部由p型和n型半导体电偶对交替串联而成，利用电荷载流子在不同能级间的跃迁产生珀尔帖效应，从而实现热量的定向迁移。当TEC接入电流后，冷端吸收功率器件热量，热端通过散热器向环境散热，从而实现对器件的外部主动降温。
在建模方面，研究基于热电类比思想，将复杂的传热过程简化为电学计算问题。模型基于斯忒潘-玻尔兹曼定律，以受控电压源形式引入。最终建立的功不仅考虑了传统等效热网络中的接触热阻，还引入了非线性散热支路，包括自然对流换热和辐射换热。其中，自然对流换热系数采用非线性表达式，与温差呈幂律关系；辐射散热则率MOSFET-TEC耦合非线性热网络模型，能够以功率器件损耗、TEC电流以及外部温度作为输入，在线估算器件结温。
模型中部分热参数难以直接测量，如TEC模块的等效热容、等效热阻、自然对流换热系数、表面辐射率等。为此，研究采用参数辨识方法获取这些参数。首先构建以功率器件壳温、TEC热端温度和散热器温度估计误差为目标的多目标函数，并采用等权重法将其转化为单目标函数。随后，结合差分进化（DE）算法进行全局随机寻优，再利用原对偶内点法（PDIPM）进行梯度优化精修，从而获得全局最优参数组合。
在控制策略上，研究提出了TEC温度闭环、器件结温闭环和器件电流闭环的三闭环协同控制架构。器件温度闭环将估算结温与最大允许结温的误差输入PI控制器，输出电流限制值；TEC温度闭环同样根据结温误差控制TEC输入电流；器件电流闭环则根据参考电流与反馈电流的误差，输出驱动信号占空比，实现对器件工作电流的动态限制。通过三闭环协同，系统能够在结温低于安全边界时迅速提升电流，在结温逼近边界时及时调节TEC制冷和器件损耗，从而在保证热安全的前提下最大化过流能力。
三、结果分析
为验证所提方法的有效性，研究搭建了完整的实验平台，包括主功率电路、控制电路、直流电压源、阻感性负载及计算机等。实验模块主体置于恒温箱内，以减少环境温度波动干扰。功率器件选用Infineon公司生产的IRFB4229PbF型n沟道增强型MOSFET，热电制冷模块采用OT016100型TEC。实验最大允许结温设为85℃，器件开关频率为10kHz。
在参数辨识及模型验证方面，研究开展了耦合模块温升实验，向MOSFET通以1.5W恒定功率，TEC输入功率由1W递增至5W，获得5组温升数据。辨识结果表明，所建立的热网络模型温度估算平均误差小于1%。在0.8、1.7、2.8、4.2W四组TEC功率验证实验中，TEC冷端、热端和散热器温度估算值的最大误差分别为6.38%、4.32%和1.55%。越靠近器件侧，温度评估最大误差越大，主要原因是将器件壳温与TEC冷端温度进行了近似等效处理。总体而言，模型具备较高的温度估算精度，为主动热管理提供了可靠的数据基础。
在恒定过载实验中，研究设置了目标电流2.8A，分别在15、25和35℃环境温度下进行。实验初期，结温远低于最大允许值，结温PI控制器迅速将器件电流提升至2.8A，结温呈非线性上升。传统主动热管理方法在结温接近85℃时，通过逐步减小参考电流来限制器件损耗。而所提方法在此基础上加入TEC温度闭环控制，当监测到结温异常上升时，TEC模块通电制冷，有效降低了器件结温。实验结果表明，相较于传统方法，所提方法可将功率器件短时过流时长延长18.7%～21.1%，并将稳定过流倍数由1.04～1.23提高至1.63～1.80，有效稳定过流值增大0.5A以上。例如在15℃环境下，传统方法短时过流时长为107s、稳定过流倍数1.23，而所提方法分别达到127s和1.80；在35℃环境下，传统方法为76s和1.04，所提方法为92s和1.63。
在动态变工况阶跃负载实验中，研究在25℃环境温度下设置了三段负载：第一阶段1A/200s，第二阶段1.5A/220s，第三阶段2.8A/180s。传统方法在第二阶段后期结温逼近85℃，电流开始下降，第三阶段已无法响应过载需求。而所提方法在整个第二阶段电流全程维持1.5A稳定运行，第三阶段电流先上升至2.8A，当结温接近最大允许值时再逐步调节。实验充分表明，所提方法能够扩大温度调节裕度，有效提升功率器件动态过流能力，并在多变工况下表现出良好的鲁棒性和一致性。
四、应用与展望
该研究提出的基于TEC和器件损耗控制的主动热管理方法，通过外部主动制冷与内部损耗控制的有机结合，在不改变器件结构的前提下显著提升了功率器件的过流能力。这一方法为高功率密度电力电子设备的主动热管理提供了重要参考，具有广阔的应用前景。
在应用层面，该方法适用于对过流能力和热安全性要求较高的场景，如电动汽车牵引逆变器、航空航天电源系统、新能源发电变流器、数据中心电源模块等。在这些场景中，功率器件经常面临短时过载和动态变工况，传统的内部损耗调节方法往往难以兼顾响应速度与过流能力。而TEC凭借其快速响应、紧凑体积和高可靠性，能够作为外部主动温控单元，与器件损耗控制形成协同，从而在热安全边界内挖掘器件的过流潜力。此外，该方法基于通用的热网络建模和参数辨识流程，可推广至不同类型的功率器件和封装形式，具有良好的工程适用性。
在技术展望方面，未来研究可从以下几个方向深入：一是进一步优化参数辨识算法，提高在线辨识的实时性和精度，降低计算复杂度，以适应嵌入式控制器的部署需求；二是研究TEC能耗与制冷效率的平衡策略，在提升过流能力的同时兼顾系统整体能效；三是探索多器件、多TEC的集成热管理架构，实现功率模块级甚至系统级的协同温控；四是结合器件寿命预测模型，将主动热管理与可靠性评估相结合，延长设备使用寿命；五是针对碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带功率器件，开展适配性研究，推动先进热管理技术在新一代电力电子装置中的应用。
总体而言，该研究不仅验证了TEC与器件损耗联合控制在提升功率器件过流能力方面的有效性，也为主动热管理方法从“内部调节”向“内外协同”的范式转变提供了有益探索。随着电力电子系统对功率密度和可靠性要求的不断提升，这种基于TEC的主动热管理方法有望在更多领域发挥重要作用，为高功率密度电力电子设备的热安全设计提供新的技术路径。
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