随着电子元器件向微型化、高频化、集成化方向的不断发展,解决其散热问题成为电子器件工作稳定性和运行可靠性的关键。热电制冷器由于体积小、控温精度高、无运动部件、响应迅速等优点在电子器件散热领域得到广泛研究和应用。然而,在一些特殊场合应用时,热电制冷器极易处在极端条件下,此时热电制冷器的制冷性能和可靠性受到挑战,但是目前针对热电制冷器的研究大多集中在常温附近,极端条件下制冷器的制冷效果尚不清晰。基于上述研究背景,本文对热电制冷器在极端条件下的性能特性和热可靠性进行了系列研究。本文首先建立了热电制冷器的多物理场耦合仿真模型,并基于热电制冷器的性能测试平台,验证了模型的准确性。其次,利用热电制冷器的仿真模型研究了极低温条件和极高温条件下热电制冷器制冷性能的变化规律,分析了性能变化的原因及物性参数的影响,确定了极端条件下器件的最佳工作电流。同时,探究了极大热负荷下冷热端温度的变化规律,分析了工作电流和热负荷对制冷系数的影响。然后,通过高温试验、冷热冲击试验、功率循环试验对热电制冷器在极端条件下的热可靠性进行了测试。最后,分析了极大热负荷条件下热电制冷器的热应力分布情况,讨论了提高热电制冷器可靠性的措施。研究发现,在极低温条件下,热电制冷器的性能随着热端温度的降低而不断衰减,当热端温度降低至-60℃时,与常温条件（热端温度为27℃）相比,最大制冷温差和最大制冷量分别下降51.7%和40%;但是在极低温条件下优化热电材料的物性参数对其制冷性能的提升不显著。在极高温条件下,制冷性能会随着热端温度的升高先提升而后降低,在热端温度为150℃时达到最优,此时最大制冷温差和最大制冷量比常温条件分别提高了48.6%和31.52%;值得注意的是,极高温条件下优化热电材料的物性参数可以有效提升器件的最大制冷量,且当热端温度高于150℃时优化物性参数可以显著提高其最大制冷温差。在极大热负荷条件下,随着热负荷或输入电流的增加,热电制冷器有效COP会明显下降,当热负荷从1.5W增加到2.3W时,热电制冷器最大有效COP降低了66.7%,最佳工作电流相比常温时降低了45.5%。在进行热可靠性测试时,相对于高温试验和冷热冲击试验,功率循环试验过程中热电制冷器更容易失效。热电制冷器失效的主要原因是铜连接片和Sn Sb焊料层的热应力过大,可以采用热膨胀系数更为匹配的材料、降低不同材料界面间的接触热阻来降低热应力。本文研究内容对于热电制冷器在极端条件下的使用和优化具有一定的参考价值和指导意义。