TEC半导体致冷工作原理：【图文详讲】

news2024/11/5 0:59:15

1：什么是TEC

2：TEC工作原理

3：TEC结构

4：TEC技术参数

5：TEC选型

6：实物TEC

7：手机散热器

1：什么是TEC

TEC半导体致冷器（Thermo Electric Cooler）它是利用半导体材料的珀尔帖（Peliter）效应制成的所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，在电偶的两端即可出现一端吸收热量，一端放出热量的现象。所以TEC也被叫做热电制冷器。

2：TEC工作原理

TEC的最小单元是由一对（组）N型和P型半导体加连接电极（烧结点）组成，连接电极形成冷端和热端（图1）。在外加电场作用下，电流能够将在半导体内的热量从TEC的一端带到另外一端，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧。而当电流方向翻转时会导致TEC冷热端面切换（图2）。这就是TEC的加热与致冷原理。

可以理解为TEC是将冷端的热量转运到热端，在热量转运的过程中，TEC本身需要通入电流电压，也会产生热量。

（图1）

（图2）

在电路中放置P型半导体和N型半导体组成一对单元，通电时会在一端产生电子空穴对，内能减小，温度降低，形成冷端；另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，形成热端。

知识温习：

P型半导体：

P型半导体是通过在纯净的半导体材料(如硅或锗)中掺入少量的三价元素而形成的。这些三价元素，如硼(B)或铝(Al)，在晶格中取代原有的四价原子，从而形成一个空穴(即缺失的电子)，这个空穴表现为正电荷。因此，P型半导体中的主要载流子是带正电的空穴。

N型半导体：

N型半导体则是通过在纯净半导体材料中掺入微量的五价元素，如磷(P)或砷(As)等杂质而形成的。这些五价元素在晶格中多余的一个电子不参与共价键的形成，因此成为自由电子。这些自由电子是N型半导体中的主要载流子，使得N型半导体具有负电性。

3：TEC结构

TEC热电制冷器的组成包括内部半导体P极、半导体N极和导电金属，以及顶层底层温度交换用的陶瓷基板所组成。单个热电制冷对的制冷能力有限，TEC一般有十几到几十个制冷对组合而成（见图3）。通过控制电流方向，TEC既可以制冷又可以制热，实现优于0.1℃的温度控制稳定性。

（图3）

4：TEC技术参数

1：电流：小型半导体制冷片TEC的电流可以根据不同的应用场景进行调整，通常在几毫安到几百毫安之间。
2：电压：小型半导体制冷片TEC的电压根据不同的材料和应用场景有所不同，通常在几伏到几十伏之间。
3：热导率：小型半导体制冷片TEC的热导率是衡量其制冷效果的重要参数，通常在几瓦到几十瓦之间。
4：最大温差：小型半导体制冷片TEC的最大温差是衡量其制冷能力的指标，通常在几摄氏度到几十摄氏度之间。
5：工作温度范围：小型半导体制冷片TEC的工作温度范围是衡量其适应环境能力的指标，通常在负几十摄氏度到正几百摄氏度之间。

TEC有几种主要的性能参数，参数之间相互制约形成TEC特性曲线，举例说明，某厂家某系列，其中型号PT4-12-F2-3030-TA-W6的尺寸为A*B*C*D=30*30*34*3.2（单位mm）。

图中参数说明：

当热面温度为27℃时：

Qcmax（△T=0）为33W，就是当冷热面温差为0时，可转运最大热量33W；

△T max（Qc=0）为70.5℃，就是当冷热面转运0W热量时，可达最大温差70.5℃；

Imax（I@△T max）为4A，就是当在最大温差时，TEC可加载的最大电流为4A；

Vmax（V@△T max）为13.9V，就是当在最大温差时，TEC加载的最大电压为13.9V；

Module Resistance为3.24欧，TEC的电阻为3.24欧。

5：TEC选型

假设被散热器件需要散掉Qc =15W的热量，想要TEC冷端达到0℃左右，如何选型？

（注意：要考虑到TEC自身产生的热量）

可以选择上述型号PT4-12-F2-3030-TA-W6的TEC（当然也可以选择其他符合使用要求的TEC，需要读取TEC对应的特性曲线），那么根据热量-电流曲线1，此曲线为热端温度为27℃时对应的曲线，选取△T=30℃的那条曲线，那么冷端面就为-3℃，符合0℃左右的要求。从曲线中，△T=30℃，15W时读取对应的工作电流约为2.6A。

再根据电压-电流曲线2，当△T=30℃，电流2.6A时，电压约为9.2V。

再根据COP-电流曲线3，当△T=30℃，电流2.6A时，COP约为0.6。这里的COP（Cooling Performance Rate）是热电制冷效率，前文中提到了TEC转运热量Qc的过程中，TEC本身也会产生热量Pin（电流电压的乘积），二者的比值就为COP，即COP=Qc/Pin，本例中，Qc =15W，COP=0.6，那么TEC的Pin=25W，计算得到TEC的散热端需要散掉的总热量为Qc+Pin=40W。

这里产生的总热量40W，就是风扇和散热器需要考虑的散热功率了！！！

再根据总热量-电压曲线4，当△T=30℃，电压9.2V时，总热量约为40W，验证了根据曲线3计算得到的总热量40W，如果计算的话，TEC的Pin=电流*电压=2.6A*9.2V=23.92W，考虑到读取曲线时，电流、电压、COP值都会有误差，23.92W与理论计算值25W非常接近，也是侧面得到了验证。