功率模块广泛应用在轨道交通、新能源发电、电动汽车等领域,在各自的应用场景中,系统的功率处在不断的变化当中,例如电动汽车的加速减速、轨道地铁的启动制动,功率波动会导致功率模块内部的结温产生波动。而功率模块由多层材料堆叠而成,不同材料之间的热膨胀系数不同,结温波动会导致相邻层之间产生热应力,在长期的热应力老化作用下,会引发焊料层疲劳、键合线脱落等情况,使模块失效。因此,降低模块内部的结温波动,对于提高功率模块的可靠性有十分重要意义。降低结温波动主要通过降低热阻和增加热容两种途径,但目前的研究成果对于改善结温波动的效果并不理想,无法做到温度响应速度、结温波动时间尺度、结温抑制幅度三者的有效结合。基于此,本文以功率模块为研究对象,围绕降低其功率波动伴随的结温波动为目标,设计并制作了一款特殊结构的功率模块,利用在功率模块内部填充相变材料的方法,提升模块内部的等效热容。通过实验和仿真相结合的手段,验证了相变材料对结温波动的抑制效果,并通过功率模块寿命模型,分析了结温波动降低对模块寿命的提升。论文的主要创新点如下:（1）针对功率模块的结温波动问题,提出了在功率模块内填充相变材料以增加等效热容,降低结温波动的方法。功率波动工况下导致模块内结温波动,长期结温波动会使功率模块老化,造成焊料疲劳和键合线脱落,对功率模块可靠性产生影响。结合国内外研究现状,根据功率模块的Cauer热网络模型提出降低结温波动的两种方法:降低热阻和增加热容,分析了两种方法的优缺点和效果。提出相变材料的等效热容属性,在模块内部填充相变材料,能增加模块内的等效热容。通过功率模块的热网络模型,针对周期性功率波动,从理论上分析了增大热容能有效降低功率模块的结温波动,提高模块的可靠性。（2）设计并制作了一款相变功率模块,特殊结构的铜框架设计能实现材料的填充以及结温的测量。基于前述在模块内部填充相变材料的思路,对模块内相变材料的空间布置进行讨论,为避免在散热路径上额外增加热阻,将相变材料填充在芯片上方。同时设计了特殊结构的铜框架结构,铜框架内填充相变材料,并且能作为模块内部电路连接的一部分,在铜框架中间开孔,露出部分芯片以便于观测芯片表面的温度变化。模块拓扑为整流电路,选用较大尺寸的二极管芯片便于铜框架的设计和制作。为了评估相变功率模块对结温波动抑制效果,根据相变模块3D模型,制作出相变功率模块。研究对比了多种类型的相变材料的潜热、热导率、相变温度等属性,选择出适用于功率模块内部的相变材料,填充于铜框架的沟槽内。最后搭建实验验证平台,能使相变模块导通周期性的大电流,利用芯片热损耗产生的温升,测量不同功率波动周期下的结温变化情况,验证了相变材料对芯片结温波动的抑制效果。同时,利用有限元仿真软件搭建相变模块的仿真模型,通过软件模拟不同功率波动周期情况下相变模块的结温变化情况,对比有/无填充相变材料下芯片结温波动变化。然后对比不同周期下,相变材料随结温变化的过程,探究了结温波动抑制的原理。实验和仿真共同验证了相变材料对芯片结温波动的抑制效果及原理。（3）针对结温周期性波动的工况下,建立了相变功率模块的寿命评估模型。评估相变模块在抑制了功率模块的结温波动后,对模块寿命的提升效果。首先梳理了导致模块失效的机理:焊料层疲劳和键合线脱落。其次,引出功率模块的Coffin-Manson-Arrhenius疲劳寿命模型,将结温波动、平均温度、失效循环次数联系起来,根据实验结果计算对应的失效循环次数,分析相变材料对模块寿命的影响。计算结果表面,填充了相变材料后,失效循环次数最大能提升5倍。最后,对应无规律结温波动情况下,通过雨流计数法对不规律的结温波动进行整理分类,再利用Miner疲劳损伤累计法计算该工况下模块的使用寿命。当相变模块在无规律负载变化工况下,通过仿真或实验,测量结温变化数据,使用上述方法计算模块寿命,即可验证相变材料对该工况下模块寿命的改善效果。本论文研究成果对功率模块的结温波动抑制机理与方法具有重要的学术价值和技术支撑,对提高功率模块可靠性设计有一定的参考意义。