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随着电子器件应用领域的拓宽，在航天航空、地下井勘探和核反应堆等高温(100~600℃)工作环境下，电子器件和其他无源器件的散热条件开始恶化，通过被动(Passive)散热器冷却的电子器件温度一定高于环境温度，被动散热方式无法满足降低器件周围环境温度的需求，导致电子系统的整体效率降低、性能变差，甚至损坏元器件，此时必须针对高温工作环境下的电子器件进行散热设计。热电制冷器(Thermoelectric Coolers，TEC)通过降低给定热负载下电子器件的工作温度，或在固定工作温度下允许输出更高的功率，提高电子器件的热封装裕度。其独特的优势之一是能在器件热源处实现低于环境的温度，从而提高电子器件的工作可靠性。采用热电制冷器结合传统被动散热器的组合方式，是主流电子器件散热应用中的优选方式。考虑大功率电力电子器件IGBT模块和芯片两种具有代表性的电子器件散热设计，本文工作概括如下：
(1)为了解决TEC在冷却大功率器件制冷系数低的问题，设计了一套用于中压IGBT模块散热的分离热通道散热器。基于一维稳态传热理论建立了分离热通道散热器的热阻网络模型，通过FloTHERM热仿真软件分析了该散热器在性能、经济方面比较径向TEC散热器和液冷散热器的优缺点。仿真结果表明相较径向TEC散热器，分离热通道散热器提高了TEC的制冷系数，并具有更大的散热功耗；对比传统水冷散热，分离热通道散热器适用高温小功率IGBT模块散热。
(2)为了研究TEC散热系统对高温环境下工作芯片散热的可行性，本文以倒装球栅格阵列(FC-PBGA)封装的芯片作为散热对象，结合TEC散热系统进行不同环境温度下的实验研究。实验结果显示TEC散热系统的温度敏感系数小于风扇散热系统，说明它对不同的环境温度有更强适应性。高温下帕尔贴效应增强以及TEC自身性能参数的影响，使得TEC两端温差增大，证明了TEC散热系统在高温环境下为芯片散热的可行性。
(3)为了应对电子器件内芯片结温低于环境温度的散热需求，通过热电类比的方法在Matlab/Simulink软件中建立了一维TEC散热系统等效电路模型，对被动散热器进行选型设计。以芯片功耗和环境温度为变量计算所选TEC散热系统冷却的最低芯片结温，并用FloTHERM三维仿真模型对计算结果进行了验证。仿真结果表明，散热器热阻越小，对抑制高温下芯片温度增长的效果越明显。TEC散热器通过增大芯片结至环境的温差，逐渐消除了芯片表面温度分布的不均匀性，从而提高芯片工作的可靠性。
(1)为了解决TEC在冷却大功率器件制冷系数低的问题，设计了一套用于中压IGBT模块散热的分离热通道散热器。基于一维稳态传热理论建立了分离热通道散热器的热阻网络模型，通过FloTHERM热仿真软件分析了该散热器在性能、经济方面比较径向TEC散热器和液冷散热器的优缺点。仿真结果表明相较径向TEC散热器，分离热通道散热器提高了TEC的制冷系数，并具有更大的散热功耗；对比传统水冷散热，分离热通道散热器适用高温小功率IGBT模块散热。
(2)为了研究TEC散热系统对高温环境下工作芯片散热的可行性，本文以倒装球栅格阵列(FC-PBGA)封装的芯片作为散热对象，结合TEC散热系统进行不同环境温度下的实验研究。实验结果显示TEC散热系统的温度敏感系数小于风扇散热系统，说明它对不同的环境温度有更强适应性。高温下帕尔贴效应增强以及TEC自身性能参数的影响，使得TEC两端温差增大，证明了TEC散热系统在高温环境下为芯片散热的可行性。
(3)为了应对电子器件内芯片结温低于环境温度的散热需求，通过热电类比的方法在Matlab/Simulink软件中建立了一维TEC散热系统等效电路模型，对被动散热器进行选型设计。以芯片功耗和环境温度为变量计算所选TEC散热系统冷却的最低芯片结温，并用FloTHERM三维仿真模型对计算结果进行了验证。仿真结果表明，散热器热阻越小，对抑制高温下芯片温度增长的效果越明显。TEC散热器通过增大芯片结至环境的温差，逐渐消除了芯片表面温度分布的不均匀性，从而提高芯片工作的可靠性。