关于TEC：电子热管理中的热电冷却器优化

关于TEC：电子热管理中的热电冷却器优化

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/jl573527993/article/details/139855426

热电冷却器（TEC）是一种利用直流电流产生冷却或加热的固态制冷装置。与传统的蒸汽压缩制冷系统不同，热电冷却没有运动部件和循环流体。它结构简单，体积小，成为电子领域热管理设备的良好选择。然而，TEC的低性能系数（COP）阻碍了它的广泛部署。本文将讨论如何通过优化设计来提高TEC在电子热管理中的应用效果。

热电冷却器（TEC）是一种利用直流电流产生冷却或加热的固态制冷装置。与传统的蒸汽压缩制冷系统不同，热电冷却没有运动部件和循环流体。它结构简单，体积小，成为电子领域热管理设备的良好选择。然而，TEC的低性能系数（COP）阻碍了它的广泛部署。

如图所示，一个典型的热电模块是使用两个薄陶瓷晶片，中间夹着一系列掺杂P和N的双碲化物半导体材料。模块两侧的陶瓷晶片增加了刚性和必要的电气绝缘。

当直流电流施加到TEC时，TEC可以作为冷却器或加热器工作，这取决于电流的方向。当作为冷却器工作时，TEC通过根据温度梯度将热量从冷侧传递到热侧来保持冷侧的低温。当作为加热器工作时，TEC将热量从设备的热侧转移到冷侧。

对于电子热管理，TEC通常用作冷却器，以保持或降低芯片的结温度。尽管热性能较差，但对于TEC模块需要温度稳定性、亚环境操作条件或具有特殊设计的设备，TEC模块可以是一个很好和可靠的解决方案。

本文讨论了利用TEC模型将风冷底盘内高功率电子部件的结温度保持在一定水平的优化过程。图2说明了该应用程序。芯片（J1）是一个位于PCB背面的一个40X40 mm器件，它最大耗散50瓦。为了使芯片的稳定运行，其结温度必须保持在25˚C以下。芯片的结壳热阻为0.1˚C/W。机箱入口的环境温度为25˚C，芯片前为30˚C。为了简单起见，我们忽略了所有的界面阻力和接触阻力。

1. 常规的TEC冷却方法
   为了使芯片结温度保持在25˚C以下，必须采用冷却方法。常规的方法是在散热器上放一个带有集成TEC模块的散热器。图3显示了这个概念。一个TEC模块被夹在芯片和风冷式散热器之间。
   经TEC冷却后，芯片的结温度为，
   Tj = Tc + (Rjc + RTIM)q
   其中，Tc为TEC冷侧温度，Rjc为芯片从结到壳的热阻，RTIM为TEC与芯片之间以及TEC与散热器之间使用的热界面材料的热阻。
   TEC的冷却COP被定义为：
   式中，q为TEC从冷侧去除的热量，W为TEC消耗的电能。
   散热器的温度为，
   其中Th为TEC热侧温度，Ta为局部空气温度，Rhs为散热器从基地到环境的热阻。
   也可以写成，
   且
   设备的结温度变为，
   对于TEC，∆TTEC的值与施加在TEC模块上的电压成正比。通常∆TTEC越大，TEC模块施加的电压和消耗的能量就越大。
   假设散热器的热阻为0.2˚C/W，这对于一个具有强制风冷的高性能散热器是合理的，且热界面材料（油脂）的热阻为0.01˚C/W。
   则，
   所需的∆TTEC是，
   2.优化后的TEC冷却方法
   一种可以最小化所需∆TTEC的优化的TEC冷却方法如图4所示。在芯片的顶部安装了一个带有集成热管的铜块。热管将芯片散热的热量传递到位于机箱前面的散热器模块。这种设计有两个明显的优点：
2. 入口的空气温度低于芯片前面的空气温度；
3. 该散热器可以有一个更大的尺寸和更复杂的设计，其热性能也随着均匀的进口流量而提高。
   芯片的结温度如下；
   其中Rhp为热管的热阻值。
   在优化情况下，环境温度为25˚C，散热器热阻可低至0.1˚C/W，热管热阻可为0.01˚C/W。
   则
   
   为了评估这两种TEC冷却方法，我们选择了来自Marlow工业公司[2]的TEC（RC12-8）进行计算。RC12-8的图像如图5所示。RC12-8的技术规格表见表1。
   
   RC12-8在50˚C热侧温下的性能曲线如下图所示，
   
   在50˚C热侧温度下工作，传递50瓦热负荷，RC12-8能产生的最大∆TTEC为25˚C，见图6。在此操作条件下，施加在TEC上的电压为15V，TEC消耗的电流为7A。
   所以TEC的COP是，
   对于常规的TEC解决方案，
   ∆TTEC_required大于RC12-8可以产生的最大∆TTEC，这意味着该解决方案不起作用。
   对于优化后的TEC解决方案，
   ∆TTEC_required小于RC12-8所能产生的最大∆TTEC。TEC的估计热侧温度为42˚C，冷侧温度为19˚C。因此，优化后的解决方案很有效，即使在最大50瓦的功率下，芯片结温度也可以保持在25˚C以下。
   与其他制冷方法相比，电流TEC的电气性能和热性能仍然较低。然而，本文通过巧妙地布置散热器，利用热管，对大功率芯片进行TEC冷却是可行的。成功使用TEC应用于电子冷却应用的关键是优化设计，以减少∆TTEC，以达到更好的COP和使用高性能散热器。

本文原文来自CSDN