半導體制冷器基本知識
前兩天有人問半導體制冷器的相關知識，參考一些廠家的注意事項，做下簡單的介紹。
1、半導體制冷器基本介紹
半導體制冷片，也叫熱電制冷片，它是利用半導體材料的Peltier效應來實現制冷或者制熱的產品。由帕爾貼效應可知，通過在半導體致冷器的兩端加載一個適當的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個熱電制冷器上就可以同時實現制冷和加熱兩種功能。
半導體制冷器PN結
如圖所示的是一個最簡單、最基本的溫差電器件，由N、P兩種類型的半導體溫差電材料經電導率較高的導流片串聯構成。當電流流過回路時，將在接頭A處發生吸熱，而在接頭B處放熱，使得T2>T1，因而在A、B兩端建立溫差ΔT=T2-T1。
根據帕爾貼效應建立在冷端A處的熱平衡方程，可獲得該接頭處單位時間從外界進入的熱量（制冷量）QC為：
Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k（T2 – T1）
其中R為N、P電偶臂的電阻，αNP 為N、P電偶臂的溫差電動勢總和，與制冷器的電偶臂對數有關；
I為通過回路的電流，；
k為電偶臂的熱阻總和。
2、半導體致冷器的主要特點
半導體制冷器是一個小電壓，電流的特性，在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復雜控溫的熱控過程中，可以提供很大的幫助。半導體致冷器并不能應用在所有的領域，但在一些特定的情況下它是唯一的選擇。與其他制冷設備相比，熱電制冷器具有很多優勢。其中包括：
● 可以降溫到環境溫度以下：傳統的散熱器需要將溫度升高到環境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環境溫度以下的能力。
● 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電制冷器可以通過調整加載的直流電流的方向，調整制冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在給定體系內加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件。
● 精確的溫度控制：由于熱電制冷器具有一個閉路溫度控制循環，它可以在±0.1 ℃范圍內精確地控制溫度。
● 高可靠性：由于全部為固態基構造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應用條件有關，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達到200,000小時以上。
● 電子靜音：與傳統的機械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會產生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運行過程中也不會產生任何噪音。
● 可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以在任意角度和零重力狀態下工作。
● 簡單方便的能源供給：熱電制冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調制。
3、制冷器件主要的規格參數
1.外形尺寸：通常規格的器件為方形，也有長方形和圓形，多級器件的寶塔形等。民用單層器件厚度約3-5mm，雙層或多層近乎3mm的倍數。
2.最大制冷量：保持器件熱面溫度27℃（或50℃，軍品還有按照25℃）時可從冷面抽運熱量的最大值。實際使用時的制冷量通常遠小于該數值，最大制冷量一般用來比較不同規格器件的制冷能力。
3.最大溫差電壓：器件維持兩端溫差大小的能力與加在器件上的直流電壓成正比，達到最大溫差時的電壓稱為最大溫差電壓，施加的電壓超過該電壓后溫差將會減小。測定最大制冷量時使用最大溫差電壓，器件使用時的電壓應該小于該電壓，最常選用的范圍是最大電壓的70%--80%，當需要的溫差較小時可以使用更小的電壓。此時所能獲得的最大溫差、最大制冷量也相應較小。該參數表明了器件工作時適用的電壓范圍。
4.最大溫差電流：是確定器件功率的重要指標，有時用電阻值替代表示，是冷熱面溫度27℃時（溫差為0）在最大溫差電壓下的電流值，器件工作時的電流一般小于該值，實際工作電流還會隨著溫差增加、熱面溫度升高而減小。該數值可以比較直觀地代表制冷器件的功率大小，此外表示了器件工作時的電流范圍。
4、制冷器件選型方法
各個廠家根據本身的制冷器效率會有不同的建議值，以下僅為選型建議。
1.為了選擇制冷器件規格要先確定需要的制冷量，如果不能確切的測量或計算也可以通過溫升等外部狀況推算和估計，將估算值標記為Qc，如果冷面溫度與環境溫度的差小于30℃，屬于常規制冷應用，直接用1.5*Qc與廠家的制冷器件規格表中最大制冷量比較，找到數值相近的制冷規格（±5W），再參照希望采用的電流、電壓即可選擇一款合適的制冷器件。
2.對于制冷溫差30℃-60℃的非常規制冷應用，需要選用2.5*Qc甚至更高制冷量的規格，因為器件的特性是隨著溫差增加抽運熱的能力呈線性下降。或者咨詢廠家在工作工況下的制冷量。
3.選擇制冷器件時還應充分地考慮到散熱條件的制約，散熱條件直接影響器件熱面的溫度，制冷器總的散熱量等于制冷量+制冷器的輸入功率，如果散熱不充分制冷器的冷熱端之間會產生漏熱現象，最終引起制冷器的效率下降。
4.作為選擇時的一種方案是建議較多數量的小功率器件代替較少數量的大功率器件，獲得相同的制冷量，目的在于增加熱源面積降低散熱功率密度。
5.在制冷器設計的過程種，當PN結的長寬高確定之后，一旦電壓確定，制冷器PN結的對數基本上已經確定。一般PN結的電壓和PN結的高度成正比，和PN結的橫截面積成反比，制冷器可以根據實際情況進行設計。
５、電源及控制方式的選擇
熱電制冷器件在工作時可以直接采用直流電源供電，無論是電池或開關電源、還是簡單的整流直流電源均可使用。熱電制冷器是低阻抗的半導體器件，相當于在電源上加載一個電阻。由于碲化鉍材料的本征性質，制冷器的平均溫度每升高1 ℃電阻增加大約為0.5%。如果為了達到簡單的溫度控制目的，可以使用標準恒壓器或者可變輸出的直流電源來調整熱電器件的輸入電壓。在熱載荷比較穩定的應用條件下，使用手動調控的直流電源就可以保證在幾個小時溫度或更長時間范圍內，溫度的上下波動不超過±1 ℃。如果需要精確控制溫度，一般需要使用閉路（反饋）系統，通PID或PWM等自動控制輸入電流的大小或者脈寬。此時，溫度控制的精度保持可以在±0.1 ℃，或更高的精度內。
6、裝配方式的選擇
6.1熱電制冷器的安裝方式，主要包括以下四種：
● 螺釘夾緊固定
● 樹脂膠黏結
● 焊接
● 軟墊或其他材料聯接
下面分別進行說明。
● 螺釘夾緊固定
螺釘夾緊固定是一種最常見的安裝方法，它的主要過程是使用螺釘將熱電制冷器夾緊在散熱器和需要被冷卻的物體的一個平面之間。通常在大部分應用條件下，推薦使用這種方法，具體的實施方法如下：
1.將熱電制冷器需要進行安裝的表面，通過機械車床或者打磨的方法使之平整。為了達到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在1 mm/m 以內，單個安裝時保證在與制冷器接觸面在0.03mm以內。
2. 如果在給定的表面之間需要安裝多組熱電制冷器，這一組制冷器中的所有制冷器的厚度（或高度）都應該相互一致，厚度的最大偏差不能超過0.05 mm ，此部分公差通過導熱填料補充。
3.夾緊螺釘需要相對于制冷器對稱的排布，從而在整個部件被夾具夾緊時，可以在制冷器上產生均勻的壓力。為了減少在螺釘上的熱損失，需要盡量使用可以滿足機械性能要求的尺寸最小的螺釘，并在鏈接部加絕熱墊。對于大多數情況來說，不銹鋼螺釘M3即可以滿足要求。除此之外，還可以使用一些非金屬的緊固部件，如尼龍等。在小型的機械部件連接處還可以使用更小尺寸的螺釘。另外，緊貼每一個螺釘頭部的位置，還應該放置貝氏彈簧墊圈或者開口鎖緊墊圈，使得在系統零件熱膨脹或者收縮時其壓強保持均勻。
4. 確保清潔制冷器和安裝表面，不會殘留任何毛刺或者灰塵。
5. 在制冷器的熱端表面涂覆一層0.05-0.1mm左右的導熱硅脂，并且將熱端面向下放置在散熱器上，然后放在需要的位置。輕輕的壓按制冷器然后來回轉動制冷器，將多余的硅脂壓出去。
6. 在制冷器的冷端表面涂覆一層與上一步驟中使用的相同的導熱硅脂。要冷卻的物體放置在制冷器上并與冷端接觸。使用如上的步將多余的硅脂擠壓出去。
7. 為了保證良好的平行度，安裝時需要在安裝表面上保持均勻的壓力。如果施加的壓力非常不平衡，可能會降低器件的性能，甚至可能會損壞熱電制冷器，（注：特別是制冷器尺寸較大時，容易發生翹屈，引起PN結斷路失效）。使用可以顯示扭矩的螺絲刀逆時針方向逐一上緊所有的螺釘，并且逐漸增加扭矩，直到所有的螺釘上都獲得適當的扭矩值。一般來說根據不同的應用條件，正常的安裝壓力在2kg/cm2 -7 kg/cm2之間不等,，特殊情況根據實際確定，最小使用過的力矩為0.2 kg/cm2。
8. 如果夾緊螺釘過緊可能會引起散熱片或者被冷卻物體表面的翹起變形，特別是如果這些部件是由很薄的材料加工而成的時候。這種變形將會降低器件的熱電性能，并且在大多數情況下，還會破壞整個體系。如果在安裝過程中,將夾緊螺釘適當靠近熱電制冷器或者使用相對較厚的材料可以有效的減小這種彎曲。另外，如果制冷器的熱端或冷端使用小于6 mm的鋁片或者小于3 mm的銅片時，要相應的減小螺釘扭矩。
● 樹脂膠黏結
這種安裝方法主要用在一些特定應用條件下，其主要方法是在制冷器的一面或者兩面上都使用一種特殊的高熱導樹脂黏結劑。由于熱電制冷器中陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數都不相同，推薦在較大的制冷器上使用樹脂膠黏結方法。如需要請及時咨詢我們工程師相關的具體操作方法。對于需要在真空的應用條件下使用的熱電制冷器件,除非采取了適當的措施來避免漏氣，一般不推薦使用樹脂膠黏結的方法。
備注：最好不要用雙面粘膠的方式，在高低溫變化的試驗過程種制冷器全部出現應力引起的斷路。
● 焊接
只要保證采取了合理的保護措施避免制冷器過熱，就可以將外表面金屬化的熱電制冷器焊接到熱電部件中。為了避免制冷器受到過分的機械壓力，可以將制冷器的一個表面（通常是熱端面）焊接在一個剛性結構部件內。這里需要注意的一點是，如果將制冷器的熱端面焊接在一個剛性結構中，那其他的元件或者小型電路就必須要焊接在制冷器的冷端面上，這樣元件或者電路就不能與外界結構剛性連接。在焊接過程中，為了避免過熱會對熱電制冷器造成的損害，必須要精確的控制溫度。
由于熱電制冷器的陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數都不相同，我們不推薦在大于15×15 mm2的熱電制冷器上應用焊接的方法。
● 軟墊或其他材料聯接
其中最常見的是硅膠墊或者其他界面填充材料，在此不一一描述，對于熱電應用來說他們的熱阻會比較大，但是使用這種方法的優點是可以減少生產所需時間和清潔時間，所以這種方法可以廣泛的應用于對器件損害較少的應用條件下。
6.2 安裝時應注意的事項
在制冷器體系中安裝熱電制冷器的技術是非常重要的。在安裝過程中如果沒有遵循一定的基本規則，結果將會導致性能和可靠性的下降。
●熱電制冷器在壓力條件下具有很高的機械強度，但是其剪切強度相對來說比較低.所以，不可以將熱電制冷器設計在起主要支撐作用的機械結構體系中。
●界面之間必須保持相互平行，并且界面需要平整、潔凈，以降低熱阻。在界面處一般使用一些熱導比較高的材料來保證表面間的良好接觸。對于需要拆卸的結構，或者要求不高的場合可以使用導熱硅油脂，但是注意硅油在長期的高溫下會揮發，導致硅脂熱傳導性能下降，所以有時需要使用固化型導熱劑。但固化型導熱劑大多需要加熱固化并對組裝過程有更嚴格的清潔要求，給應用者帶來諸多工藝與成本問題。
●標準熱電制冷器的熱端和冷端可以通過導線的位置分辨出來。導線一般是焊接在熱電制冷器的熱端表面上，而熱端表面是與散熱器相接觸的。對于使用絕緣導線的熱電制冷器來說，紅色和黑色的導線分別與直流電源的正極和負極相連。熱流從制冷器的冷端通過整個制冷器進入散熱器。正極連接在制冷器的右邊，而負極連在左邊。
●當溫度降低到環境溫度以下時，被冷卻的物體應該盡可能的與空氣絕緣，以減少熱量損失。同時，盡量避免被冷卻物體和外部的結構單元直接接觸，也可以減少對流損失。
●當溫度降低到露點以下時，在冷卻的表面上會容易形成露或霜。如果潮氣進入熱電制冷器中，會大大降低其制冷性能。為了避免這種情況的發生，應該安裝有效的防潮密封保護。現在一般采用硅膠密封半導體制冷器周邊，但是在真空環境中特別注意，可以不要三防要求。
●高度公差：熱電制冷器主要有兩種高度公差，±0.10mm 和 ±0.02mm 。當在熱電部件中只使用一個制冷器的時候，可以考慮選擇公差為±0.10mm的制冷器，因為與對應的小公差制冷器相比，其價格相對低廉。然而，對于在散熱器和被制冷物體之間需要同時焊接多個制冷器的情況下，為了保證良好的傳熱，需要成組的精確比較所有制冷器的厚度。基于這個原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差為±0.02mm的制冷器。
7、散熱器的選擇
我們可以將熱電制冷器看作為微型熱泵，熱量從一面被運送到另一面。制冷器的工作過程不是普通的吸熱過程或者將熱量消耗掉的過程。通電之后，熱電制冷器的一面會變冷而另一面變熱。被制冷一面的熱量將被傳遞到另一面—熱端，傳遞的過程完全符合熱力學過程。熱電制冷器的熱端必須要連接在一個合適的散熱器上，以便釋放掉從冷端傳遞過來的熱量和器件運行過程中產生的焦耳熱。
由于熱電制冷器的制冷量是隨著溫差的增加而減小的，所以在設計時一定要盡量減小散熱器的溫度增加量。對于一般的應用，散熱器的溫度高于室溫5-15 ℃是比較常見的。市場上，有很多種散熱器可供選擇，其中包括自然對流式、強制對流式、和液體冷卻式三種。自然對流式散熱器可以在功率非常低的應用條件下使用，特別是當小型熱電制冷器的工作電流在2 A以下時。而對于大部分應用條件來說，自然對流式散熱器并不能滿足將所需熱量全部排出的要求，這時就需要使用強制對流式散熱器或者液體冷卻式散熱器了。
根據不同的應用條件，熱電制冷器需要有不同種類的散熱器與之相匹配，并且，還會有不同的機械約束條件，使整個設計過程非常復雜。由于每種應用條件都不相同，很難推薦一種單一的散熱器結構可以滿足大多數條件。
熱電制冷器的應用是電子學與熱力學的完美結合，在特殊的條件下能夠得到很多巧妙的設計思路，望大家有更好的設計案例分享，同時感謝以前某半導體廠家提供的資料。
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