半导体制冷器基本知识
前两天有人问半导体制冷器的相关知识，参考一些厂家的注意事项，做下简单的介绍。
1、半导体制冷器基本介绍
半导体制冷片，也叫热电制冷片，它是利用半导体材料的Peltier效应来实现制冷或者制热的产品。由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。
半导体制冷器PN结
如图所示的是一个最简单、最基本的温差电器件，由N、P两种类型的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联构成。当电流流过回路时，将在接头A处发生吸热，而在接头B处放热，使得T2>T1，因而在A、B两端建立温差ΔT=T2-T1。
根据帕尔贴效应建立在冷端A处的热平衡方程，可获得该接头处单位时间从外界进入的热量（制冷量）QC为：
Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k（T2 – T1）
其中R为N、P电偶臂的电阻，αNP 为N、P电偶臂的温差电动势总和，与制冷器的电偶臂对数有关；
I为通过回路的电流，；
k为电偶臂的热阻总和。
2、半导体致冷器的主要特点
半导体制冷器是一个小电压，电流的特性，在一些中小功率热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，可以提供很大的帮助。半导体致冷器并不能应用在所有的领域，但在一些特定的情况下它是唯一的选择。与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：
● 可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。
● 同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。
● 精确的温度控制：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在±0.1 ℃范围内精确地控制温度。
● 高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200,000小时以上。
● 电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。
● 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。
● 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。
3、制冷器件主要的规格参数
1.外形尺寸：通常规格的器件为方形，也有长方形和圆形，多级器件的宝塔形等。民用单层器件厚度约3-5mm，双层或多层近乎3mm的倍数。
2.最大制冷量：保持器件热面温度27℃（或50℃，军品还有按照25℃）时可从冷面抽运热量的最大值。实际使用时的制冷量通常远小于该数值，最大制冷量一般用来比较不同规格器件的制冷能力。
3.最大温差电压：器件维持两端温差大小的能力与加在器件上的直流电压成正比，达到最大温差时的电压称为最大温差电压，施加的电压超过该电压后温差将会减小。测定最大制冷量时使用最大温差电压，器件使用时的电压应该小于该电压，最常选用的范围是最大电压的70%--80%，当需要的温差较小时可以使用更小的电压。此时所能获得的最大温差、最大制冷量也相应较小。该参数表明了器件工作时适用的电压范围。
4.最大温差电流：是确定器件功率的重要指标，有时用电阻值替代表示，是冷热面温度27℃时（温差为0）在最大温差电压下的电流值，器件工作时的电流一般小于该值，实际工作电流还会随着温差增加、热面温度升高而减小。该数值可以比较直观地代表制冷器件的功率大小，此外表示了器件工作时的电流范围。
4、制冷器件选型方法
各个厂家根据本身的制冷器效率会有不同的建议值，以下仅为选型建议。
1.为了选择制冷器件规格要先确定需要的制冷量，如果不能确切的测量或计算也可以通过温升等外部状况推算和估计，将估算值标记为Qc，如果冷面温度与环境温度的差小于30℃，属于常规制冷应用，直接用1.5*Qc与厂家的制冷器件规格表中最大制冷量比较，找到数值相近的制冷规格（±5W），再参照希望采用的电流、电压即可选择一款合适的制冷器件。
2.对于制冷温差30℃-60℃的非常规制冷应用，需要选用2.5*Qc甚至更高制冷量的规格，因为器件的特性是随着温差增加抽运热的能力呈线性下降。或者咨询厂家在工作工况下的制冷量。
3.选择制冷器件时还应充分地考虑到散热条件的制约，散热条件直接影响器件热面的温度，制冷器总的散热量等于制冷量+制冷器的输入功率，如果散热不充分制冷器的冷热端之间会产生漏热现象，最终引起制冷器的效率下降。
4.作为选择时的一种方案是建议较多数量的小功率器件代替较少数量的大功率器件，获得相同的制冷量，目的在于增加热源面积降低散热功率密度。
5.在制冷器设计的过程种，当PN结的长宽高确定之后，一旦电压确定，制冷器PN结的对数基本上已经确定。一般PN结的电压和PN结的高度成正比，和PN结的横截面积成反比，制冷器可以根据实际情况进行设计。
５、电源及控制方式的选择
热电制冷器件在工作时可以直接采用直流电源供电，无论是电池或开关电源、还是简单的整流直流电源均可使用。热电制冷器是低阻抗的半导体器件，相当于在电源上加载一个电阻。由于碲化铋材料的本征性质，制冷器的平均温度每升高1 ℃电阻增加大约为0.5%。如果为了达到简单的温度控制目的，可以使用标准恒压器或者可变输出的直流电源来调整热电器件的输入电压。在热载荷比较稳定的应用条件下，使用手动调控的直流电源就可以保证在几个小时温度或更长时间范围内，温度的上下波动不超过±1 ℃。如果需要精确控制温度，一般需要使用闭路（反馈）系统，通PID或PWM等自动控制输入电流的大小或者脉宽。此时，温度控制的精度保持可以在±0.1 ℃，或更高的精度内。
6、装配方式的选择
6.1热电制冷器的安装方式，主要包括以下四种：
● 螺钉夹紧固定
● 树脂胶黏结
● 焊接
● 软垫或其他材料联接
下面分别进行说明。
● 螺钉夹紧固定
螺钉夹紧固定是一种最常见的安装方法，它的主要过程是使用螺钉将热电制冷器夹紧在散热器和需要被冷却的物体的一个平面之间。通常在大部分应用条件下，推荐使用这种方法，具体的实施方法如下：
1.将热电制冷器需要进行安装的表面，通过机械车床或者打磨的方法使之平整。为了达到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在1 mm/m 以内，单个安装时保证在与制冷器接触面在0.03mm以内。
2. 如果在给定的表面之间需要安装多组热电制冷器，这一组制冷器中的所有制冷器的厚度（或高度）都应该相互一致，厚度的最大偏差不能超过0.05 mm ，此部分公差通过导热填料补充。
3.夹紧螺钉需要相对于制冷器对称的排布，从而在整个部件被夹具夹紧时，可以在制冷器上产生均匀的压力。为了减少在螺钉上的热损失，需要尽量使用可以满足机械性能要求的尺寸最小的螺钉，并在链接部加绝热垫。对于大多数情况来说，不锈钢螺钉M3即可以满足要求。除此之外，还可以使用一些非金属的紧固部件，如尼龙等。在小型的机械部件连接处还可以使用更小尺寸的螺钉。另外，紧贴每一个螺钉头部的位置，还应该放置贝氏弹簧垫圈或者开口锁紧垫圈，使得在系统零件热膨胀或者收缩时其压强保持均匀。
4. 确保清洁制冷器和安装表面，不会残留任何毛刺或者灰尘。
5. 在制冷器的热端表面涂覆一层0.05-0.1mm左右的导热硅脂，并且将热端面向下放置在散热器上，然后放在需要的位置。轻轻的压按制冷器然后来回转动制冷器，将多余的硅脂压出去。
6. 在制冷器的冷端表面涂覆一层与上一步骤中使用的相同的导热硅脂。要冷却的物体放置在制冷器上并与冷端接触。使用如上的步将多余的硅脂挤压出去。
7. 为了保证良好的平行度，安装时需要在安装表面上保持均匀的压力。如果施加的压力非常不平衡，可能会降低器件的性能，甚至可能会损坏热电制冷器，（注：特别是制冷器尺寸较大时，容易发生翘屈，引起PN结断路失效）。使用可以显示扭矩的螺丝刀逆时针方向逐一上紧所有的螺钉，并且逐渐增加扭矩，直到所有的螺钉上都获得适当的扭矩值。一般来说根据不同的应用条件，正常的安装压力在2kg/cm2 -7 kg/cm2之间不等,，特殊情况根据实际确定，最小使用过的力矩为0.2 kg/cm2。
8. 如果夹紧螺钉过紧可能会引起散热片或者被冷却物体表面的翘起变形，特别是如果这些部件是由很薄的材料加工而成的时候。这种变形将会降低器件的热电性能，并且在大多数情况下，还会破坏整个体系。如果在安装过程中,将夹紧螺钉适当靠近热电制冷器或者使用相对较厚的材料可以有效的减小这种弯曲。另外，如果制冷器的热端或冷端使用小于6 mm的铝片或者小于3 mm的铜片时，要相应的减小螺钉扭矩。
● 树脂胶黏结
这种安装方法主要用在一些特定应用条件下，其主要方法是在制冷器的一面或者两面上都使用一种特殊的高热导树脂黏结剂。由于热电制冷器中陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，推荐在较大的制冷器上使用树脂胶黏结方法。如需要请及时咨询我们工程师相关的具体操作方法。对于需要在真空的应用条件下使用的热电制冷器件,除非采取了适当的措施来避免漏气，一般不推荐使用树脂胶黏结的方法。
备注：最好不要用双面粘胶的方式，在高低温变化的试验过程种制冷器全部出现应力引起的断路。
● 焊接
只要保证采取了合理的保护措施避免制冷器过热，就可以将外表面金属化的热电制冷器焊接到热电部件中。为了避免制冷器受到过分的机械压力，可以将制冷器的一个表面（通常是热端面）焊接在一个刚性结构部件内。这里需要注意的一点是，如果将制冷器的热端面焊接在一个刚性结构中，那其他的元件或者小型电路就必须要焊接在制冷器的冷端面上，这样元件或者电路就不能与外界结构刚性连接。在焊接过程中，为了避免过热会对热电制冷器造成的损害，必须要精确的控制温度。
由于热电制冷器的陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，我们不推荐在大于15×15 mm2的热电制冷器上应用焊接的方法。
● 软垫或其他材料联接
其中最常见的是硅胶垫或者其他界面填充材料，在此不一一描述，对于热电应用来说他们的热阻会比较大，但是使用这种方法的优点是可以减少生产所需时间和清洁时间，所以这种方法可以广泛的应用于对器件损害较少的应用条件下。
6.2 安装时应注意的事项
在制冷器体系中安装热电制冷器的技术是非常重要的。在安装过程中如果没有遵循一定的基本规则，结果将会导致性能和可靠性的下降。
●热电制冷器在压力条件下具有很高的机械强度，但是其剪切强度相对来说比较低.所以，不可以将热电制冷器设计在起主要支撑作用的机械结构体系中。
●界面之间必须保持相互平行，并且界面需要平整、洁净，以降低热阻。在界面处一般使用一些热导比较高的材料来保证表面间的良好接触。对于需要拆卸的结构，或者要求不高的场合可以使用导热硅油脂，但是注意硅油在长期的高温下会挥发，导致硅脂热传导性能下降，所以有时需要使用固化型导热剂。但固化型导热剂大多需要加热固化并对组装过程有更严格的清洁要求，给应用者带来诸多工艺与成本问题。
●标准热电制冷器的热端和冷端可以通过导线的位置分辨出来。导线一般是焊接在热电制冷器的热端表面上，而热端表面是与散热器相接触的。对于使用绝缘导线的热电制冷器来说，红色和黑色的导线分别与直流电源的正极和负极相连。热流从制冷器的冷端通过整个制冷器进入散热器。正极连接在制冷器的右边，而负极连在左边。
●当温度降低到环境温度以下时，被冷却的物体应该尽可能的与空气绝缘，以减少热量损失。同时，尽量避免被冷却物体和外部的结构单元直接接触，也可以减少对流损失。
●当温度降低到露点以下时，在冷却的表面上会容易形成露或霜。如果潮气进入热电制冷器中，会大大降低其制冷性能。为了避免这种情况的发生，应该安装有效的防潮密封保护。现在一般采用硅胶密封半导体制冷器周边，但是在真空环境中特别注意，可以不要三防要求。
●高度公差：热电制冷器主要有两种高度公差，±0.10mm 和 ±0.02mm 。当在热电部件中只使用一个制冷器的时候，可以考虑选择公差为±0.10mm的制冷器，因为与对应的小公差制冷器相比，其价格相对低廉。然而，对于在散热器和被制冷物体之间需要同时焊接多个制冷器的情况下，为了保证良好的传热，需要成组的精确比较所有制冷器的厚度。基于这个原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差为±0.02mm的制冷器。
7、散热器的选择
我们可以将热电制冷器看作为微型热泵，热量从一面被运送到另一面。制冷器的工作过程不是普通的吸热过程或者将热量消耗掉的过程。通电之后，热电制冷器的一面会变冷而另一面变热。被制冷一面的热量将被传递到另一面—热端，传递的过程完全符合热力学过程。热电制冷器的热端必须要连接在一个合适的散热器上，以便释放掉从冷端传递过来的热量和器件运行过程中产生的焦耳热。
由于热电制冷器的制冷量是随着温差的增加而减小的，所以在设计时一定要尽量减小散热器的温度增加量。对于一般的应用，散热器的温度高于室温5-15 ℃是比较常见的。市场上，有很多种散热器可供选择，其中包括自然对流式、强制对流式、和液体冷却式三种。自然对流式散热器可以在功率非常低的应用条件下使用，特别是当小型热电制冷器的工作电流在2 A以下时。而对于大部分应用条件来说，自然对流式散热器并不能满足将所需热量全部排出的要求，这时就需要使用强制对流式散热器或者液体冷却式散热器了。
根据不同的应用条件，热电制冷器需要有不同种类的散热器与之相匹配，并且，还会有不同的机械约束条件，使整个设计过程非常复杂。由于每种应用条件都不相同，很难推荐一种单一的散热器结构可以满足大多数条件。
热电制冷器的应用是电子学与热力学的完美结合，在特殊的条件下能够得到很多巧妙的设计思路，望大家有更好的设计案例分享，同时感谢以前某半导体厂家提供的资料。
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