很多人都聽說過半導(dǎo)體制冷片（Thermoelectric Cooler, TEC），但對(duì)它的工作原理和選型方法并不了解。下面我將介紹TEC的工作原理，并且提供一些實(shí)用的選型指南，幫助大家在實(shí)際應(yīng)用中選出合適的TEC產(chǎn)品。

01 半導(dǎo)體制冷工作原理-帕爾帖效應(yīng)

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，它的工作原理基于熱電效應(yīng)中的帕爾帖效應(yīng)。1834年，一位名叫帕爾帖的法國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，而放熱或吸熱的大小由電流的大小來決定，它的熱量計(jì)算公式為：Q=π*I。這就是帕爾帖效應(yīng)，也是半導(dǎo)體致冷器的基礎(chǔ)工作原理。

02 帕爾帖效應(yīng)在半導(dǎo)體制冷器中的應(yīng)用

下面我們一起來看看帕爾帖效應(yīng)在半導(dǎo)體致冷器中的實(shí)際應(yīng)用。如圖所示，將一只P型半導(dǎo)體元件和一只N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。其中，P元件里的載流子是空穴，N元件里的載流子是自由電子。在上方接頭處，電流方向P→N，溫度上升并放熱，這是熱端；在下方接頭處，電流方向N→P，溫度下降并吸熱，這是冷端。

將若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來，就構(gòu)成了一個(gè)常見的熱電制冷堆。接上直流電源后，熱電堆上面是熱端，下面是冷端，借助熱交換器等傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并保持一定溫度，將冷端放入工作環(huán)境中吸熱降溫，這就實(shí)現(xiàn)了帕爾帖效應(yīng)在半導(dǎo)體致冷器中的應(yīng)用。

03 TEC制冷和制熱模式的溫差區(qū)別

看完以上內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體致冷器的神奇之處：它能實(shí)現(xiàn)制冷和制熱兩種效果。

上圖為半導(dǎo)體致冷器和外圍器件的連接模型。Tc表示被制冷物體（Object Being Cooled）一側(cè)的冷面溫度，也就是目標(biāo)溫度；Th表示散熱器（Heat Sink）一側(cè)的熱面溫度，Ta表示器件工作時(shí)的環(huán)境溫度。

①當(dāng)Tc＜Ta時(shí)TEC為制冷模式，此時(shí)Tc＜Th

②當(dāng)Tc＞Ta時(shí)TEC為制熱模式，此時(shí)Tc＞Th

04 TEC制冷和制熱模式的基本結(jié)構(gòu)

由于制冷和制熱是兩種相反的溫控效果，半導(dǎo)體致冷器在制冷和制熱兩種模式下的基本結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)相反狀態(tài)。

上圖為半導(dǎo)體致冷器的制冷模式結(jié)構(gòu)。N 型DICE連接直流電源正極（一般為紅色導(dǎo)線），P 型DICE連接電源負(fù)極（一般為黑色導(dǎo)線），電流在各個(gè)半導(dǎo)體元件中開始流動(dòng)。上部的各個(gè)接合電極開始吸熱，通過DICE傳導(dǎo)到下部的各個(gè)接合電極。這一部分移動(dòng)的熱量和輸入電力轉(zhuǎn)化而成的熱量，會(huì)一起通過下部的接合電極釋放出來。

假設(shè)將直流電源連接在TEC上的正負(fù)極相互交換，TEC上下面吸放熱關(guān)系也會(huì)隨之變換（也可選擇正負(fù)極不變，內(nèi)部PN倒裝），這就形成了半導(dǎo)體致冷器的制熱模式結(jié)構(gòu)。

05 半導(dǎo)體制冷相關(guān)的性能參數(shù)

在選擇半導(dǎo)體致冷器時(shí)，它的綜合性能（如制冷能力、散熱能力等）是我們的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。而半導(dǎo)體致冷器的這些綜合性能主要由Imax、Vmax、DTmax和Qcmax這四個(gè)性能參數(shù)來決定，下面我們一起來看看這些參數(shù)分別代表什么含義。

①Imax（最大電流）：當(dāng)放熱面和吸熱面之間的溫差ΔT達(dá)到最大值時(shí)通過TEC的電流值。此時(shí)，TEC的吸熱量Qc為0。Imax反映了TEC在最大溫差條件下的電流極限。

②Vmax（最大電壓）：當(dāng)接通最大電流值Imax時(shí)TEC兩端的電壓值。此時(shí)，TEC的吸熱量Qc為0。Vmax反映了TEC在最大電流條件下的電壓極限。

③DTmax（最大溫差）：當(dāng)接通最大電流值Imax時(shí)，TEC放熱面和吸熱面之間的最大溫差ΔT(Th-Tc)。此時(shí)，TEC的吸熱量Qc為0。DTmax反映了TEC的最大制冷能力。一般來說，在熱面溫度一致的前提下，DTmax越大，半導(dǎo)體材料的性能越好。

④Qcmax（最大制冷功率）：當(dāng)接通最大電流值Imax時(shí)TEC的吸熱量。此時(shí)，吸熱面和放熱面的溫差ΔT為0。Qcmax反映了TEC在最佳工作條件下的最大制冷能力。

我們可以根據(jù)以上四個(gè)重點(diǎn)參數(shù)全面評(píng)估TEC的性能，確保其在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期的制冷效果。

06 教你計(jì)算方法/TEC-12706

TEC的性能參數(shù)不僅能通過模擬計(jì)算得到理論值，還能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到實(shí)測(cè)值。下表是TEC-12706在熱面溫度Th=50℃時(shí)的性能參數(shù)表。那么，在已知最大溫差/最大制冷量的情況下，如何推算出其它性能參數(shù)值？小cool將通過應(yīng)用公式為你計(jì)算說明。

應(yīng)用公式：

●DT=Th-Tc 即溫差=熱面溫度-冷面溫度

●V=Sm*DT+I*Rm 即輸入電壓=溫差發(fā)電+歐姆定律

●Qh=Qc+V*I 即放熱量=吸熱量+電壓*電流

*其中Sm為半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)，Rm為半導(dǎo)體致冷器的電阻，它們都是隨溫度變化的動(dòng)態(tài)值。

①當(dāng)最大溫差DTmax=83℃時(shí)，Qc=0

Tc=Th-DT=50℃-83℃=-33℃

I=Imax=6.0A，V=Vmax=18.1V

Qh=Qc+V*I=0+18.1V*6A=108.6W

②當(dāng)最大制冷量Qcmax=56.7W時(shí)，DT=0

Tc=Th-DT=50℃-0=50℃

Qc=Qcmax=56.7W，I=Imax=6.0A

V=Sm*DT+I*Rm=Sm*0+6A*2.75Ω=16.5V

*查12706圖紙25℃時(shí)電阻值為2.18-2.68Ω，平均電阻值為2.43Ω。依據(jù)材料特性：每升溫一度電阻值增加0.5%，故50℃時(shí)電阻值Rm=2.75Ω

Qh=Qc+V*I=56.7W+16.5V*6A=155.7W

07 看懂性能關(guān)系圖/TEC-12706

除了計(jì)算，還可以通過查閱（Qc、V、Qh、COP& I）四種性能關(guān)系圖（均在熱面溫度一定的條件下）全面了解TEC在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，幫助用戶優(yōu)化TEC的應(yīng)用配置。

①Q(mào)c VS I圖：不同溫差下輸入電流與制冷功率的關(guān)系圖▼

?曲線用途：確認(rèn)TEC是否有足夠的制冷能力來滿足應(yīng)用要求。

?確認(rèn)制冷能力：確保制冷器能夠提供足夠的制冷功率。

?選擇合適工作點(diǎn)：找到最佳的輸入電流和溫差組合，使TEC在高效區(qū)間內(nèi)工作。

②Qh VS I圖：不同溫差下輸入電流與熱面散熱功率的關(guān)系圖▼

?曲線用途：確認(rèn)散熱器是否有足夠的散熱能力來滿足應(yīng)用要求。

?確認(rèn)散熱能力：確保散熱功率足夠系統(tǒng)能有效處理TEC產(chǎn)生的熱量。

?選擇合適工作點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際所需達(dá)到的制冷效果，找到對(duì)應(yīng)的輸入電流和相應(yīng)的熱面散熱功率。

③V VS I圖：不同溫差下輸入電流與電壓的關(guān)系圖▼

?曲線用途：選定TEC型號(hào)后，確定它在特定工作條件下所需的電源電壓值。

?選擇合適工作點(diǎn)：用戶可以先通過Qc VS I曲線圖確定合適的輸入電流和溫差，然后通過V VS I曲線圖查找對(duì)應(yīng)的電源電壓值，確保提供的電源電壓與TEC的工作電壓相匹配。

?優(yōu)化電源配置：通過合理選擇電源電壓，讓TEC在高效區(qū)間工作，避免因電壓不足或過高導(dǎo)致效率低下或造成設(shè)備損壞。

④COP VS I圖：不同溫差下輸入電流與COP（制冷效率）的關(guān)系圖▼

?用途：確定COP（COP系數(shù)為制冷功率與輸入功率的比值），從而實(shí)現(xiàn)制冷能力的最大化以及輸入功率（功耗）的最小化。

?確定最佳工作點(diǎn)：用戶可以通過該曲線找到特定溫差下的最大COP值，選擇相應(yīng)的輸入電流，確保TEC在高效區(qū)間工作。

?優(yōu)化能耗：調(diào)整輸入電流，在制冷功率足夠的同時(shí)盡量減小輸入功率（降低功耗），提高系統(tǒng)的整體效率。

如果你對(duì)半導(dǎo)體制冷相關(guān)知識(shí)感興趣，或者對(duì)半導(dǎo)體制冷有任何需求，歡迎留言交流~