如何使用珀尔帖装置实现更高功率的热电冷却

作者：Robert Westby，ADI首席工程师

摘要

本文提供了设计更高功率TEC之前必须了解的热电冷却器(TEC)概念，解释了限制热电冷却器冷却能力的关键珀尔帖特性，并且说明了可以如何围绕这些限制展开设计。部分驱动器示例说明了控制更高功率TEC所需的条件。另外还包括可能阻碍现有设计实现其预期冷却能力的问题。

简介

TEC使用珀尔帖模块来冷却物体或提供物体的准确温度控制，可用于多种应用。它们是激光二极管冷却器1,2、微处理器冷却、聚合酶链反应(PCR)系统以及断层扫描、心血管成像、磁共振成像(MRI)、放射治疗等医疗应用的理想之选。激光二极管温度控制等许多应用都使用功率在5 W至15 W范围内的小型低功耗TEC。它们的驱动器可能采用5 V供电轨运行并提供1 A至3 A的电流。

但如果我们需要更高功率怎么办？我们该如何做呢？我们应该关注什么以及我们有什么选择？我们从两个角度来看。第一种情况是，我们已经有一个正常工作的TEC，但这还不够，需要将功率提升10%到20%。第二种情况是，从头开始构建更高功率的TEC。我们可以从珀尔帖装置获得多少冷却能力？我们应该用什么来驱动它？

在开始之前，让我们先了解几个关键的珀尔帖概念。

最大吸热量

珀尔帖模块的最大吸热量(Qc)将在数据手册中列出，但它适用于ΔT为零的情况。ΔT是珀尔帖热端和冷端之间的温差。当热端和冷端温度相同时，Qc将如数据手册中所述。然而，它会随着ΔT的增加呈线性减小，直到某个点Qc = 0。该点也称为最大ΔT，变化很大，但单级模块的典型值可能约为70°C。请参见图1中的一般示例。


图1.热吸收量与珀尔帖温差的关系。

假设我们希望将珀尔帖的热端保持在+22°C的室温，而希望将冷端保持在–5°C。珀尔帖的最大电流为9 A，因此我们计划使用7 A驱动器。在我们的示例图中，7 A电流下27°C的温差将为我们提供41 W的能力。然而，所有接口都具有热阻，因此当热量从珀尔帖流经散热器并进入室内环境时，将会出现温度梯度。如此一来，珀尔帖的热端就不可能处于22°C的室温。假设热端温度为30°C。我们就得到35°C的冷热温差。参照图1，沿着7 A线到达35°C ΔT点，这表明我们的排热能力将为30 W左右——即使我们购买了100 W珀尔帖！

自发热

另一个重要的珀尔帖概念是模块在工作时会产生大量的自热。自发热量可能会是从目标处吸收到的热量的两倍。例如，当从目标处吸收到25 W的热量时，珀尔帖可能会另外产生50 W的热量。因此，热端散热器必须能够散发75 W的热量。

改进现有TEC系统

在第一种情况下，我们有现成的TEC，只需要略微增加冷却能力即可，为此我们可能要考虑一些问题。几项明显的问题领域包括TEC的热端温度、TEC组件接口的热阻、珀尔帖装置上的电压纹波、ΔT以及组件的绝缘。

建议首先检查热端的温度，请参见图2。请谨记，图1的一项关键要点是珀尔帖冷端和热端之间的小增量至关重要。随着温差的增加，珀尔帖从目标汲取热量的能力会减弱。

快速了解热端温度的一种方法是在TEC接近最大功率时检查散热器温度。只需使用热电偶，或者将测量结果发送至微处理器，热敏电阻就会有效工作。请参见《基于热敏电阻的温度检测系统—第1部分：设计挑战和电路配置》和《基于热敏电阻的温度检测系统—第2部分：系统优化与评估》这两篇出色的热敏电阻文章。3,4如果热端散热器的温度明显高于室温，则可能需要更大的散热器和/或风扇。

遗憾的是，上述的快速检查并没有告诉我们有关珀尔帖到散热器接口的任何信息。该接口可能较难触及，因此通常需要拆卸该装置。该接口经常使用导热膏，我们想要检查它以确定是否存在可能干扰热传导的气穴。由于空气是不良导热体(0.026 W/(mK))，因此导热膏的作用是消除气穴。但不要使用很厚一层，因为在0.2 W/(mK)至0.3 W/(mK)时，导热膏也不是良好的导体，尽管金属类型可能在4 W/(mK)范围内。然而，这种膏体的性能仍然比空气好10倍。与之相比，铝为200 W/(mK)，PCB铜为约380 W/(mK)，PCB FR4为约0.3 W/(mK)至0.8 W/(mK)，水为0.6 W/(mK)，玻璃为约1.0 W/(mK)。

请注意，有可能在达到某个点时，增加通过珀尔帖的电流会产生与预期相反的效果，也就是会让冷端变暖！这是因为珀尔帖可能接近其最大ΔT，并且由于散热不充分，所以增加电流会使热端变暖。当热端变暖时，会将冷端向上推。

另外，请检查TEC上的电压纹波可以如何降低珀尔帖的效率。纹波应不超过10%，但建议5%或更低。降低负载电容的有效串联电阻(ESR)可能是最安全的变化。然而，无论发生什么变化，无论是增加频率、增加输出电容还是增大电感，都需要注意防止影响交换机的效率及其控制稳定性。

新设计

对于新的高功率设计，人们可能想到的第一件事是，是否使用珀尔帖模块或珀尔帖组件。这类模块本身就是珀尔帖，即夹在陶瓷衬底和热端（+端）之间的碲化铋，并焊接有两根电线。在这种情况下，是由客户来设计散热器和散热接口的。另一方面，组件包含已连接散热器的珀尔帖模块。典型的装置可能包含两个散热器和两个风扇以及引出至连接端口的接线。散热器分为不同的种类，例如风冷、水冷或乙二醇冷却以及直连冷却，而且还可能包含用于连接到机柜或其他设备的某种类型的框架。客户只需为风扇连接一个电源，然后就可以专注于驱动器设计。

无论是哪种方式，无论是从模块开始还是从组件开始，如果要构建高功率TEC，就需要进行权衡和抉择。例如，对于大致相同的功率，各种珀尔帖模块（TEC模块）的电流和电压可能差异巨大。在应用中使用多个模块可能会更有利，或者可以选择多级模块来增加ΔT。为了驱动更高功率的模块，ADI提供了LT8722和新的LT8204全桥功率芯片。接下来，我们来仔细看看这些问题。

选择珀尔帖模块时首先要意识到的是，它们的电流/电压权衡可能差异巨大。例如，就95 W至105 W范围内的可用模块而言，电阻的变化范围可以从0.34 Ω到4.4 Ω。此外，27°C下95 W模块的最大规格为19 A和7.7 V，而27°C下另一个105 W模块的最大规格则为7.6 A和21.2 V。尽管它们的功率并不完全相同，但关键是电流和电压之间可能存在权衡，而这反过来又决定了您对驱动器的要求。

除此之外，您也可以使用多个模块，但是，它们必须进行电气串联，因为它们的电阻随温度变化。如此一来，并联装置之间的均流将会是一项挑战。当然，使用串联装置，压降会增加，并且会需要更高电压的驱动器。然而，电气串联的珀尔帖装置将仍具有散热的并行功能。如果无法获得更高的电压，但仍需要两个模块，则每个模块都必须由自己的驱动器驱动。但是，单个温度反馈可同时用于两个模块。


图2.空对空TEC组件的简化图。


图3.LT8722应用电路。

另一种选择是使用多级模块。这些模块包含由制造商堆叠在一起的一到五个模块。换言之，散热将为串联，因此总ΔT增加，可以冷却到较低的温度。然而，这并不是一个全能的方法。请谨记，每个模块的热端都必须将从目标吸收的热量以及自发热量散发出去。因此，下一个连接模块的冷端必须要转移来自第一个装置的自发热量和目标热量，并且该串联中的第三个模块必须要能够将来自目标的热量以及来自所有三个装置的自发热量散发出去。这种额外的温度能力是以显着增加散热为代价的。多级模块通常看起来像一座金字塔，因为距离目标最远的模块需要散发大量热量，必须更大。

15 V/4 A驱动器可实现更高功率

显然，要提高TEC的功率，通常需要更高的驱动电压。LT8722正是如此，其VIN电压为15 V，其集成FET的额定电流为4 A。该控制器的设计考虑了高精度的温度控制。它使用集成式25位数模转换器(DAC)从串行外设接口(SPI)接收信息，以便在TEC上设置准确的差分电压。两个额外的集成式9位DAC可设置正负输出限流值。

该架构是全桥DC-DC变换器，一侧是脉宽调制(PWM)降压功率级，另一侧是线性级，在4 A、15 VIN和3MHz条件下提供92.6%的效率。即使其中一个输出为线性输出，也能保持效率，因为在高电流时，交换机控制电流，线性驱动器要么高要么低，导致压降很小。在电流反向的转换期间，线性输出将处于其线性区域，但电流很小。因此，线性驱动器不会显著影响效率。利用这种架构，不仅可以实现高效率，而且由于只需要一个电感，因此尺寸更小。该交换机还使用Silent Switcher®技术来尽可能地减少电磁干扰/电磁兼容性(EMI/EMC)辐射。

SPI接口全面管理控制，包括使能、启动、峰值电流、频率、差分输出电压和限流值。SPIS_ STATUS寄存器提供6个故障和5个附加状态条件，而AMUX监控13个模拟功能。LT8722是一款低噪声（仅1侧是交换机）、小尺寸（仅1个电感）H桥，其辅助功能已集成到芯片中。参见图3。

具有外部FET的40 V驱动器可实现更高功率

为了获得额外的冷却能力，可使用ADI具有外部功率FET的40 VLT8204H桥控制器。这能够帮助设计人员为任何应用设计电流水平。LT8204是一款多功能驱动器。它是一款出色的珀尔帖驱动器，但也可用于各类电感、电容或电阻负载，例如电机、电磁阀、电池充电、自动测试设备电源和加热系统，即任何需要半桥或全桥驱动器的应用。其控制模式可以是电压模式或电流模式控制，并且可以控制输出电压或输出电流。控制输出电流对于驱动TEC模块尤为实用。

该控制器具有SPI接口，完全由微处理器控制。两个集成式16位DAC为双半桥或全桥配置提供来自微处理器的准确接口。此外，集成式低输入失调电流放大器可提供准确的双向电流检测。故障寄存器提供16个故障指示，可将其回传至处理器。实际上，将简单的H桥控制器转变为准确的TEC驱动器所需的大部分工作已经集成到控制器中。参见图4。


图4.LT8204应用电路。

结论

无论是需要提高现有TEC的冷却能力，还是计划打造新的更高功率设计，其中所涉及的程序都没那么复杂。原本的设计可能存在的散热或效率问题都是可以解决的。新设计将需要更高功率的珀尔帖模块、多个串联模块，或者如果要求更高的ΔT，则需要多级模块。毫无疑问，驱动器将需要更高的电压和电流能力，并且最好是具有内置的准确控温功能。

参考文献
1《使用DS4830A光学微控制器进行热电冷却器控制》。ADI公司，2015年2月。
2Yajung Tu。《电信系统中的TEC控制器应用》。ADI公司，2016年2月。
3Jellenie Rodriguez和Mary McCarthy。《基于热敏电阻的温度检测系统—第1部分：设计挑战和电路配置》。《模拟对话》，第56卷第3期，2022年7月。
4Jellenie Rodriguez和Mary McCarthy。《基于热敏电阻的温度检测系统—第2部分：系统优化与评估》。《模拟对话》，第56卷第3期，2022年8月。

关于作者
Robert Westby是ADI公司的电源系统工程师。他于1984年毕业于宾夕法尼亚州立大学，获得工程学学士学位，曾在GE Semiconductor、Intersil和Semtech担任电源测试开发工程师。2014年，他加入凌力尔特公司，该公司现隶属于ADI公司。