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热电冷却器TEC的选型设计步骤

leon2016

热电制冷器的选型是一个迭代过程。除基本尺寸信息之外,一个典型的TEC技术规格书中还包含如下基本信息:

Qcmax:当冷热面温差为0℃时,热电冷却器能够转移的热量。

Imax:热电冷却器允许通过的最大电流;

Vmax:热电冷却器通过最大电流时,热电冷却器两端的电压;

DTmax:当热电冷却器通过最大电流,同时,热电冷却器加载的热量为零时,热电冷却器两端所达到的最大温差。

COP:综合性能系数(coefficientof performance),表示冷却的热量值与输入能量的比值Qc/(V*I)

Th:热电冷却器热端温度;

RAC:热电冷却器的电阻。

下图为某TEC基本参数表:

 


 

对于TEC而言,当运行温度不同时,由于电气性能变化,上文所提及的关键参数也将有所不同。此例中,取热端温度为50℃的性能参数。假定需求场景为:发热芯片功耗为20W,要求温度控制在26℃,依此计算此TEC的工作点(工作电流和工作电压)。

芯片温度控制在26℃,则温升要求为24℃。通过规格书中的制冷量、电流、温差图,获知工作电流应为4A

 

此处4A的电流,指的是TEC工作稳定之后的电流,启动时,工作电流稍大。在某些TEC规格书中还提供有电压、电流和温差线图,此时,可以在此图中将对应的电压线找到,并使得温差为零(初始状态,冷热面温差为零),回溯获得初始电流值。如果规格书中并未提供此图,则通常按照稳态电流值的~1.2倍设置。

根据电流、电压、温差图,查知工作电压为4.5V。依工作电压和工作电流,计算得为实现当前热传量并维持所要求的温差,所需输入功率为Pin = I * V = 4A * 4.5V = 18 W. 换算知此时TEC综合效率系数为COP = 20W/18W= 1.11.

 

 


     COP值还可以在COP、电压、温差图中查知。

 

从此图中,不仅可以查知COP值,还可判定在此工作温差、工作电压下TEC工作的最高效率点。按照此图显示,COP值显然不在最优点。此TEC实现20W功耗,在环境温度为24℃时,控制芯片结温为26℃时,需要输入的额外电能为18W。为了达到这样的效果,还要满足如下两个信息:

  • 电路的设定,需要能够支持TEC的电流需求;

  • TEC热面装配的散热器,能够在维持热面温度为50℃的前提下,稳定地散失38W(芯片发热量20W+TEC输入功率18W)的热量。

由此,不难看出,TEC的设计选型,需要电路和散热器的匹配设计。而且,散热器的热负荷等于芯片发热量与TEC输入功率之和。当TECCOP值不高时,为了将芯片的特定功耗及时转移,TEC需要更高的输入功耗,这样不仅使得设计方案能效降低,还会增加散热器的热负荷,给热量的最终转移带来困难。因此,TEC的选型是一个迭代过程。在最终选定TEC前,需要采用上述方法对比多个TEC的综合效率值,选则能效比最高的热电冷却器,实现最节能、外部散热系统设计需求最小的方案。

 

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