电子技术新型功率器件热管理机制及宽温域下效能稳定控制策略

一、引言

随着电子技术的飞速发展，新型功率器件如 IGBT、SiC MOSFET 等在各领域得到广泛应用。2020 年发布的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》强调了对电子技术相关产业的支持，这些器件在不同工况下的热管理问题成为研究焦点。本文从其独特物理结构出发，探讨了在宽温域下的产热机制及热传导特性。传统散热方案在极端温度梯度下失效，促使对新型热管理机制的研究，包括复合相变材料热沉设计、微通道散热器优化、热-电-力多场耦合分析等，以实现宽温域下效能稳定控制。

二、功率器件热管理理论基础

（一）功率器件工作原理与产热特性

IGBT、SiC MOSFET 等新型功率器件具有独特的物理结构。IGBT 是由双极型晶体管和 MOSFET 组成的复合器件，其结合了两者的优点[1]。SiC MOSFET 则利用碳化硅材料的特性，具有更高的击穿电场强度和热导率。在通断特性方面，IGBT 在导通时呈现低电阻，关断时有一定的拖尾电流；SiC MOSFET 具有更快的开关速度和更低的导通电阻。不同工况下，这些器件的产热机制不同。在高频率开关时，开关损耗是主要的产热原因；在高负载电流下，导通电阻产生的热损耗占主导地位。

（二）宽温域热传导理论体系

在宽温域热传导理论体系中，此模型涵盖固液相变传热，其在特定温度区间发生相变时会显著影响热量传递过程[2]。纳米流体对流也是关键部分，纳米流体独特的热物理性质可增强对流换热效果。同时，辐射散热不可忽视，尤其在高温环境下，其对热量散发起着重要作用。

三、新型热管理机制构建

（一）现有热管理技术瓶颈分析

通过数值模拟发现，在一些特定的极端温度环境中，传统散热方案无法有效将热量散发出去，导致功率器件温度过高，影响其性能和使用寿命。这种失效可能是由于传统散热方式在面对极端温度梯度时，热传导、热对流和热辐射等机制不能很好地协同工作，无法满足快速散热的需求。此外，随着电子技术的不断发展，功率器件的功率密度不断增加，传统散热方案在应对这种高功率密度带来的高热量问题时也显得力不从心[3]。

（二）复合相变材料热沉设计

对于复合相变材料热沉设计，聚焦于石墨烯-金属基复合相变材料。在制备过程中，精确控制各成分比例及反应条件，确保材料结构的合理性与稳定性。对于热物性优化，考虑热导率、相变潜热等关键参数，采用掺杂、微观结构调控等手段，提高材料的热传导和相变储能能力，使其能更高效地吸收和释放热量，满足电子器件在不同工况下的热管理需求。

（三）微通道散热结构拓扑优化

基于遗传算法开发具有自适应流道形态的三维微通道散热器。通过设定合适的目标函数和约束条件，使流道形态能够自适应地调整以满足散热需求。在优化过程中，考虑多种因素，如流体流动特性、热传导特性等。对不同的设计方案进行评估和筛选，最终得到具有最佳散热性能的自适应流道形态的三维微通道散热器，有效提高散热效率。

（四）热-电-力多场耦合分析

在电子器件中，温度变化会导致材料热膨胀系数不同，产生热应力，影响器件的机械性能和电学性能。同时，电流通过器件会产生焦耳热，进一步影响温度分布。这种多场耦合关系需要精确的理论模型和数值模拟方法来分析。通过建立热-电-力耦合模型，可以深入了解器件内部的物理过程，为优化热管理机制提供理论依据，提高器件在不同工况下的可靠性和性能。

四、宽温域效能稳定控制策略

（一）动态温度补偿建模方法

通过对功率器件的热特性进行深入分析，利用相关物理原理和数学方法，建立结温与导通电阻以及开关特性之间的关系模型。该模型能够根据

实时监测到的结温数据，对导通电阻进行准确补偿，同时修正开关特性。在实际应用中，此模型可有效应对宽温域环境下因温度变化导致的器件性能波动，提高电子技术新型功率器件在不同温度条件下的效能稳定性。

（二）多时间尺度协同控制架构

设计包含毫秒级开关控制与分钟级散热调节的双层闭环控制系统，毫秒级开关控制主要针对功率器件的快速开关过程，通过精确控制开关时间和频率，减少器件在开关过程中的能量损耗和热量产生。分钟级散热调节则侧重于对系统整体温度的调控，根据温度传感器反馈的信息，动态调整散热装置的工作状态，如风扇转速、散热器的散热效率等，确保系统在宽温域环境下能保持稳定的效能。

（三）智能温控算法实现

利用 LSTM 神经网络对温度进行精准预测，其能够学习温度数据的长期依赖关系，有效捕捉温度变化趋势。同时结合强化学习算法，通过不断试错和学习来优化散热策略。该算法以系统温度稳定在合适范围且功耗最小为目标，根据预测的温度和当前散热状态，动态调整散热设备的工作参数，如风扇转速、散热片的导热系数等，实现智能温控。

五、实验验证与效能评估

（一）宽温域测试平台构建

搭建-55℃至 200℃循环冲击环境下的功率循环测试系统，要选择合适的温控设备，确保能精准控制温度在设定范围内波动。同时，配备高精度的测量仪器，用于实时监测温度、功率等关键参数。测试系统的搭建还应注重其稳定性和可靠性，以保证在长时间的循环冲击测试中能正常运行，为研究电子技术新型功率器件在宽温域下的热管理机制及效能稳定控制策略提供准确的数据支撑。

（二）热管理效能对比实验

采用红外热成像技术对传统散热方案和新型散热方案下功率器件的温度分布进行实时监测，直观展示新型方案在热量扩散均匀性上的优势。同时进行热阻测试，精确测量两种方案下的热阻值。实验结果表明，新型散热方案的热阻值显著低于传统方案，这意味着热量传导更为顺畅，能够更高效地将热量从功率器件散发出去，从而验证了新型散热方案在综合性能上的提升。

（三）系统级可靠性验证

进行 3000 小时加速老化试验以评估控制策略对器件寿命的改善效果，通过模拟实际工况下的温度、电压等条件，观察器件在采用新型热管理机制和宽温域效能稳定控制策略后的性能变化。对比未采用该策略的器件，分析其老化速率、关键性能参数的衰减情况等。收集试验过程中的各项数据，运用统计学方法进行处理和分析，从而得出该控制策略是否能有效延长器件寿命以及提升系统级可靠性的结论。

六、结论

本文深入研究了电子技术新型功率器件热管理机制及宽温域下效能稳定控制策略。通过理论分析与实验验证，取得了一系列成果，包括对热管理机制的深入理解和多种有效控制策略的提出。这些成果为提高功率器件在宽温域下的性能提供了重要支撑。未来，极端环境功率器件热管理技术仍面临诸多挑战，如更高温度和更复杂工况的适应性等。需进一步探索新的材料、结构和方法，以实现更高效、更稳定的热管理和效能控制，推动相关技术不断发展。

参考文献

[1]樊寅斌,彭希锋,邓文,等.宽温域环境下的量块安装变形研究[J].计量与测试技术,2022,49(10):30-34.

[2]刘中,王永鹏,张富奎,等.宽温域橡胶复合改性沥青及混合料性能研究[J].建筑技术开发,2023,50(6):160-161.

[3]赵子彤,鞠洪博,喻利花,等.宽温域自润滑硬质薄膜材料研究进展[J].上海化工,2021,46(3):68-73.