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选择和使用高级珀耳帖模块进行热电冷却

热电冷却已经迅速成为许多类型的电子设备的实际命题。目前市场上的器件结构紧凑,高效,并利用先进的内部构造,克服了传统的可靠性挑战,这些挑战限制了这类器件的发展。
将激光二极管或图像传感器等电子元件保持在稳定的温度,对于确保诸如高功率激光器,实验室参考,分光镜或夜视系统等仪器能够正常工作至关重要。在某些情况下,可能需要冷却至环境温度以下。采用散热器和强制空气相结合的简单被动冷却方式可以满足这两种要求之一。对热负荷变化的响应可能是缓慢且不精确的,并且冷却依赖于热源温度高于环境温度的热梯度。
作为常用的被动冷却技术的替代,热电冷却可以提供许多优点。其中包括准确的温度控制和更快的响应速度,无风扇运行(受散热器性能影响),降低噪音,节省空间,降低功耗以及将组件冷却至低于环境温度的能力。

珀耳帖元素:原理和结构

珀耳帖元件的内部结构包括由N型和P型碲化铋材料制成的半导体粒料。颗粒排列串联电连接,但平行排列,以最大化模块的热陶瓷和冷陶瓷表面之间的热传递(图1)。
CUI通用Peltier元件的产品
图1:通用Peltier元件的内部结构(来源:CUI,Inc.)
热电冷却利用珀耳帖效应,这是由于在电流通过时热量被吸收或在两个不同导体的结点之间发射。包括夹在具有高热导率的两个陶瓷板之间的珀耳帖元件的热电模块有效地能够将热量从一个陶瓷板泵送到另一陶瓷板。而且,热流的方向可以简单地通过颠倒电流的方向来改变。
施加直流电压使正负电荷载流子从一个基板表面吸收热量,并将其传递并释放到相反侧的基板上。因此,能量被吸收的表面变冷,并且释放能量的相对表面变热。

构建一个冷却装置

为了创建一个实用的热电冷却单元,珀耳帖模块被建成一个系统,通常包括一个高导热性的金属块,如铝合金,和一个翅片式散热器(图2)。金属块用于将要冷却的设备(如激光二极管或图像传感器)连接到冷却元件的冷端。块的厚度选择为保持平坦度,并且确保与珀尔帖元件的冷板的热连接一致,注意过度的厚度将引起不希望的热惯性。散热器连接到珀尔帖元件的相对侧或热板上,以将提取的热量散发到周围环境中。一层薄薄的导热油脂或其他热界面材料(TIM)应用于每个表面。
CUI组装了Peltier元件,铝块和散热器的图表
图2:珀耳帖元件,铝块和散热器组装在一起以形成冷却系统(图片来源:CUI)

模块和控制器选择

完整的热电冷却系统包括珀耳帖元件和散热器组件,用于监测热板和冷板的温度传感器以及控制器单元,以确保提供正确的电流以保持模块上所需的温差。
控制器和珀尔帖模块被选择以确保从冷却的组件所提供的电流的焦耳热效应相结合的热量可以在不超过最大热容量(Q被耗散最多)或最大温度差(ΔT 最大值)在所指示的珀耳帖模块数据表。还应考虑最大温差和最大电流,以确保所选珀尔帖模块在合适的电流下工作时能保持所需的温差。这应该通常小于最大额定电流的70%,以确保焦耳加热保持在可控范围内,并且系统可以对冷板温度的短期增加作出响应,而不会遇到热失控。

计算电流和热吸收

如果已知电源的所需温度差和工作电压,则可以使用数据表中所示的功能图从模块计算散热和工作电流。
例如,图3所示的功能图可用于查找热板温度(Th)50°C,冷板温度10°C和供电电压12 V的热泵供电电流。
使用数据表功能图的设置计算图
图3:使用数据表功能图进行设置的计算(图片来源:CUI)
确定工作电流和吸热量:
  1. 查找ΔT:ΔT= T h - T c - 50℃ - 10℃= 40℃
  2. 使用T h = 50°C 的功能图来查找在供电电压下保持ΔT= 40°C的电流:从图中,I = 3.77A
  3. 从功能图中查找热量,I = 3.77 A和ΔT= 40°C:从图中,Q c = 20.75 W

珀耳帖模块的热疲劳

热电冷却器可能容易受热疲劳。常规制造的单元包含电互连(铜)和P / N半导体元件之间的普通焊接键,以及互连和陶瓷衬底之间的焊料或烧结键(图4)。尽管这些键合技术通常产生强烈的机械,热和电结合,但是它们是不灵活的,并且在经受正常的珀尔帖模块操作典型的重复的加热和冷却循环时会降级并最终失效。
传统珀耳帖模块的焊料和烧结结合图
图4:传统Peltier模块的焊料和烧结结合(图片来源:CUI)
CUI构想了用于Peltier模块的arcTEC™结构,以对抗热疲劳的影响。arcTEC结构用导热树脂取代了模块冷端的铜电互连和陶瓷基板之间的传统焊接。该树脂在模块内提供弹性粘合,允许在重复的热循环过程中发生膨胀和收缩。该树脂的弹性降低了模块内的应力,同时实现了更好的热连接和更好的机械结合,并且随着时间的推移性能没有显着下降。
此外,一种特殊的SbSn(锑锡)焊料取代了P / N半导体元件和铜互连之间通常使用的BiSn(铋锡)焊料(图5)。SbSn焊料的熔点高达235°C,而BiSn的熔点高达138°C,因此具有出色的热疲劳性能和更好的抗剪强度。
arcTEC结构增强图提高了可靠性和散热性能
图5:arcTEC结构增强提高了可靠性和散热性能(图片来源:CUI)

提高可靠性和散热性能

为了进一步提高可靠性,arcTEC结构模块的P / N元件由优质硅制成,比其他模块高2.7倍。这确保了更均匀的冷却性能,避免了温度不均匀,从而导致工作寿命缩短的风险。图6通过比较传统珀耳帖模块(顶部)和arcTEC结构模块(底部)的红外图像来说明对温度分布的影响。arcTEC结构模块的优异P / N元件也有助于将冷却时间缩短50%以上。
arcTEC结构模块中改进温度分布的图像
图6:与传统模块(上图)相比,arcTEC结构模块(下图)中的温度分布得到了改善(图片来源:CUI)
通过分析暴露于热循环的珀耳帖模块的内电阻的变化,可以证明arcTEC结构模块的预期寿命增加。由于Peltier模块内部的电阻变化与键合失效密切相关,因此分析趋势可以提供有用的寿命指示。图7所示的结果进一步证明了arcTEC结构使寿命有了显着的改善。
通过监测电阻变化来评估可靠性的图表
图7:通过监测电阻变化来评估可靠性(图片来源:CUI)

结论

尽管热电冷却的物理学已经被理解了许多代,但适合于商业电子产品设计的合适的珀耳帖模块的到来是一个相对较新的现象。提供了许多优点,包括更快的响应速度,改进的温度稳定性和更大的灵活性来控制关键器件(如IC,激光二极管或传感器)的温度。随着设计人员对产品和设计技术的熟悉,预计将出现许多用于Peltier模块的新型创新应用。
选择珀耳帖模块和设计控制电路以使模块在其热限制范围内运行时要小心。当今最先进的Peltier模块,采用灵活的内部互连和高纯度P / N颗粒设计,进一步改善了热响应和可靠性。

(责任编辑:ioter)

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