Välja och använda avancerade Peltier-moduler för termoelektrisk kylning

Termoelektrisk kylning har snabbt växt fram som en genomförbar möjlighet för många typer av elektronisk utrustning. Enheterna på marknaden idag är kompakta, effektiva och – genom en avancerad invändig konstruktion – övervinner de traditionella tillförlitlighetsutmaningarna som har begränsat möjligheterna för den här typen av enhet tidigare.

Att hålla elektroniska komponenter som laserdioder eller bildsensorer vid stabil temperatur är viktigt för att säkerställ att instrument som högeffektlasrar, laboratoriereferensutrustning, spektroskop eller mörkerbildsystem kan fungera korrekt. I vissa fall kan kylning till temperaturer under omgivningstemperaturen krävas. Enkel passiv kylning, med en kombination av kylare och fläktkylning, kan ha svårt att klara dessa krav. Svaret på förändrar temperaturbelastning kan vara långsam och oprecis och kylningen förlitar sig på en temperaturgradient där värmekällans temperatur är högre än omgivningens.

Som ett alternativ till normalt använda passiva kyltekniker kan termoelektrisk kylning innebära många fördelar. Dessa innefattar exakt temperaturkontroll och snabbare svar, möjligheten till fläktlös drift (beroende på kylarens prestanda), minskat buller, utrymmesbesparing, minskad strömförbrukning och förmågan att kyla komponenter till temperaturer som är lägre än omgivningens temperatur.

Peltierelement: principer och struktur

Peltierelementens interna struktur består av halvledarpellets som tillverkats av vismut-telluridmaterial av N-typ och P-typ. Pelletmatrisen är elektriskt seriekopplad, men termiskt parallellkopplad för att maximera värmeöverföringen mellan de modulens varma och kalla keramiska ytor (figur 1).

Figur 1: Intern struktur i ett generiskt Peltier-element (Bildkälla: Same Sky)

Termoelektrisk kylning utnyttjar Peltier-effekten, som kan observeras när värma antingen absorberas eller utstrålas mellan förgreningspunkterna hos två olika ledare när en ström passerar. En termoelektrisk modul som består av ett Peltier-element mellan två keramiska plattor med hög termisk konduktivitet med en strömkälla kan effektivt pumpa värme över enheten från en keramisk platta till den andra. Dessutom kan värmeflödets riktning ändras genom att vända på strömflödet.

Om likspänning tillförs absorberar de positiva och negativa laddningsbärarna värme från en substratyta och överför den till substratet på motsatt sida. Därför blir ytan där energi absorberas kall och den motsatta sidan, dit energi levereras, blir varm.

Konstruera en kylkrets

För att skapa en praktisk termoelektrisk kylenhet är Peltier-modulen inbyggd i ett system som normalt består av ett metallblock med hög värmeledningsförmåga, som en aluminiumlegering, och en kylare med kyflänsar (figur 2). Metallblocket används för att ansluta enheten som ska kylas – som en laserdiod eller bildsensor – på kylelementets kalla sida. Blockets tjocklek väljs för att säkerställa konsekvent termisk förbindelse med Peltier-elementets kylplatta med observationen att alltför hög tjocklek medför oönskad termisk tröghet. Kylaren fästs på motsatt sida, eller värmeplattan, på Peltier-elementet för att sprida den extraherade värmen till omgivningen. Ett tunt lager termiskt fett, eller annat termiskt gränssnittsmaterial (TIM), läggs på ytorna.

Figur 2: Peltier-elementet, aluminiumblocket och kylaren monteras ihop för att skapa kylsystemet (Bildkälla: Same Sky.)

Val av modul och styrenhet

Ett komplett termoelektriskt kylsystem består av Peltier-elementet och kylaren, temperatursensorer för att övervaka de varma och kalla plattorna samt en styrenhet för att säkerställa att rätt ström matas för att hålla önskad temperaturskillnad över modulen.

Styrenheten och Peltier-modulen väljs för att säkerställa att värmen från den kyla komponenten tillsammans med den ohmska värmeeffekten hos den tillförda strömmen kan spridas utan att överskrida den maximala värmekapaciteten (Q_max) eller den maximala temperaturskillnaden (ΔT_max) som anges i Peltier-modulens datablad. Den maximala temperaturskillnaden och den maximala strömmen måste också tas hänsyn till för att säkerställa att den valda Peltier-modulen kan hålla den önskade temperaturskillnaden när den körs med lämplig strömstyrka. Den ska normalt vara lägre än 70 % av den maximala märkströmmen för att säkerställa att den ohmska uppvärmningen ligger inom hanterbara gränser och att systemet kan svara på kortsiktiga ökningar i den kalla plattemperaturen utan att termisk instabilitet uppstår.

Beräkna ström och värmeabsorbering

Om den önskade temperaturskillnaden och strömförsörjningens driftspänning är kända kan värmespridningen och driftströmmen beräknas från modulen med funktionsdiagram enligt databladet.

Son ett exempel kan funktionsdiagrammen i figur 3 användas för att hitta pumpad värme och tillförd ström, för en temperatur för den varma plattan på (Th) 50 °C, temperatur hos den kalla plattan på 10 °C och matningsspänning på 12 V.

Figur 3: Beräkning av inställningen med databladfunktionsscheman (bildkälla: Same Sky.)

Beräkna driftström och värmeabsorbering:

1. Hitta ΔT:

   ΔT = T_h – T_c – 50 °C – 10 °C = 40 °C

2. Använd funktionsschemat för T_h = 50 °C för att hitta strömmen som krävs för att hålla ΔT = 40 °C med matningsspänning:

   Enligt schemat, I = 3,77 A

3. Hitta den pumpade värmen i funktionsschemat med I = 3,77 A och ΔT = 40 °C:

   Enligt schemat, Q_c = 20,75 W

Termisk utmattning i Peltier-moduler

Termoelektriska kylare kan utsättas för be termisk utmattning. Konventionellt tillverkade enheter innehåller vanliga lödfogar mellan elektriska kopplingar (koppar) och P/N-halvledarelementen, samt löd- eller sinterfogar mellan kopplingen och det keramiska substratet (figur 4). Dessa sammanfogningstekniker ger normalt starka mekaniska, termiska och elektriska fogar, men de är oflexibla och kan försvagas och slutligen släppa när de utsätts för to upprepade uppvärmnings- och kylningscykler som är typiska för normal Peltier-moduldrift.

Figur 4: Schema över löd- och sinterfogar på en konventionell Peltier-modul (bildkälla: Same Sky.)

Same Sky har tagit fram arcTEC™-strukturen för Peltier-moduler för att motverka effekterna av termisk utmattning. arcTEC-strukturen ersätter den konventionella lödfogen mellan kopparelkopplingen och det keramiska substratet på den kalla sidan av modulen med termiskt ledande harts. Hartsen ger en elastisk fog i modulen som tillåter expansion och sammandragning under upprepade termiska cykler. Hartsens elasticitet minskar belastningar i modulen samtidigt som den ger bättre värmeledningsförmåga och en överlägsen mekanisk fog utan att visa något tydligt fall i prestanda över tiden.

Dessutom ersätter en särskild SbSn-lödning (antimon-tenn) BiSn-lödningen (vismut-tenn) mellan P/N-halvledarelementen och kopparkopplingen (figur 5). SbSn-lödningen har en högre smältpunkt på 235 °C jämfört med 138 °C för BiSn och erbjuder därigenom överlägsen värmeutmattningsprestanda och bättre skjuvstyrka.

Figur 5: arcTEC-strukturens förbättringar förstärker tillförlitligheten och den termiska prestandan (bildkälla: Same Sky.)

Förbättra tillförlitligheten och den termiska prestandan

För att förbättra tillförlitligheten ytterligare är P/N-elementen i arcTEC-strukturens moduler tillverkade av premiumkisel och upp till 2,7 gånger större än dem som används i andra moduler. Det säkerställer jämnare kylprestanda och undviker de ojämna temperaturer som bidrar till risken för ett kortare arbetsliv. Figur 6 illustrerar effekten på temperaturfördelningen genom att jämföra infraröda bilder på en konventionell Peltier-modul (överst) och en arcTEC-strukturmodul (nederst). De överlägsna P/N-elementen i arcTEC-strukturmoduler hjälper även till att förbättra kyltiden med över 50 %.

Figur 6: Förbättrad temperaturfördelning i arcTEC-strukturmoduler (nedan) jämfört med konventionella moduler (ovan) (bildkälla: Same Sky.)

Den förbättrade livslängden hos arcTEC-strukturmoduler kan demonstreras genom att analysera förändringen i den interna resistansen i Peltier-moduler som exponeras för värmecykler. Eftersom resistansförändringar i Peltier-moduler är nära förknippade med fogsammanbrott ger trendanalyser en användbar antydan om livslängden. Resultaten i figur 7 visar ytterligare betydliga förbättringar i livslängden som möjliggörs genom arcTEC-strukturen.

Figur 7: Bedömning av tillförlitlighet genom övervakning av resistansförändringar (bildkälla: Same Sky.)

Slutsatser

Trots att fysiken bakom termoelektrisk kylning har varit känd i många generationer är lämpliga Peltier-moduler som är klara för att inkluderas i kommersiella elektroniska produkter ett relativt nytt fenomen. De erbjuder många fördelar, inklusive snabbare svarstoder, förbättrad temperaturstabilitet och högre flexibilitet för att styr temperaturen hos kritiska enheter som IC-kretsar, laserdioder eller sensorer. Många nya och innovativa tillämpningar för Peltier-moduler förväntas komma i takt med att konstruktörerna blir mer bekanta med produkterna och designteknikerna.

Det gäller att vara noggrann vid val av Peltier-moduler och utformningen av styrkretsar så att modulerna körs med marginal inom sina termiska gränser. Dagens mest avancerade Peltier-moduler, utformade med flexibla interna kontakter och P/N-pellets med hög renhet har möjliggjort ytterligare förbättringar inom termiskt svar och tillförlitlighet.

Resurser

1. Visa Same Sky fullständiga portfölj av Peltier-moduler
2. Läs mer om termoelektrisk kylning med Same Sky peltiermodul-PTM
3. Läs mer om Same Sky arcTEC-struktur