【成功案例】基于II-VI MARLOW TEC制冷片的快速升降温方案

时间： 2019-03-05 来源：II-VI MARLOW

技术问答

为提高PCR（Polymerase Chain Reaction）扩增效率，加快升降温循环速度是最有效的方案之一，并且快速的升降温还可以避免升温时间过长导致的扩增酶疲劳问题，本文采用II-VI MARLOW TEC（Thermoelectric Cooler）制冷片进行快速扩增循环，经过测试能够达到最大升温速度7℃/s，最大降温速度5℃/s。

原理

由方程Pt = cmΔT，可得温度变化快慢（即升降温速度）

式中：ΔT是温度变化

t 为加热总时间

P是加热（制冷）功率

m是负载质量

c是负载比热容

由此可见，在其他条件一定的情况下，加热（制冷）功率越大，升降温速度越快。

器件选型

半导体制冷片：Marlow是热电技术的世界领先者，市场上具有竞争力的PCR仪基本上全部采用Marlow公司的半导体制冷片，所以，结合本设计需求，本文选择Marlow的LCC12-10型号的帕尔帖，如下图所示，最大电流8.9A，最大功率94W。

驱动芯片：半导体TEC制冷片的驱动方式有恒流驱动和恒压驱动，恒压驱动方式相对简单，硬件成本较低，所以目前通用的驱动方式为恒压驱动，本文采用恒压驱动，选择infineon的H桥驱动芯片 TLE7182EM，该芯片逻辑控制简单，并且具有短路、过流、过热保护以及可以实时监控帕尔帖工作电流等相关功能，给本方案提供极大的方便。

MOS管：因为我们选择的是大功率的帕尔帖，驱动电流比较大，为防止IC过热，我们选择外部MOS管，经过对比，我们最终选择infineon的BSZ040N04LSG型号N-MOS，该MOS管RDS低至4.0 mohm，完全满足本设计。

模块方案

硬件功能框图：

上图为单通道TEC驱动框图，本文采用24VDC供电，所以，将LCC12-10两个串联作为一个通道使用

结构图

如上左图，模块结构主要包括温度传感器、温控负载、TEC制冷片、散热器、散热风扇等，由此形成一个温控的闭环控制，实现快速的升温和降温控制。

如上右图，本设计共采用六块TEC制冷片，两两串联为一个通道，总共用了3个通道，为进一步展示本设计TEC制冷片的安装细节，图中仅显示了一侧的3块TEC制冷片。

总结

为实现快速升降温有以下几点需要注意：

1)负载质量越轻，同等条件下升降温速度越快

2) TEC制冷片安装要求平整，与负载保持良好贴合，避免局部过压、过热

3) 散热风扇的功率直接影响降温速率

4) 可在通电瞬间，快速触摸TEC制冷片两侧来判断冷面和热面，制冷片不可长时间空载通电，避免过热损坏

5) 可通过万用表欧姆档来直接测量TEC制冷片是否损坏

6) TEC制冷片的选型至关重要，在升降温循环的应用场合下建议采用Marlow公司的制冷片，普通公司的制冷片在冷热循环过程中极易损坏

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全部评论（6）

用户42588679 Lv3 高级工程师 2020-11-11

基于II-VI MARLOW TEC制冷片的快速升降温方案，请问有更详细的安装过程介绍吗？
- 大王小王_世强回复：有的，安装方式有多种，具体请看链接：https://www.sekorm.com/news/48337091.html；https://www.sekorm.com/news/71221781.html；https://www.sekorm.com/news/10734.html
  查看全部3条回复
轻语 Lv3 高级工程师 2019-06-20

最大升温速度7℃/s，最大降温速度5℃/s，这个测试结果是Hot Side接散热器还是Cold Side接散热器？
- g1225jianmin_世强回复：对于半导体制冷片，制热功率一般是制冷功率的3倍，甚至更高。而半导体制冷片的冷端与热端都是相对的，主要是电流方向，如参考文章，该测试结果是冷端加散热器，因为PCR仪扩增温度都高于散热器温度，所以散热器是接冷端cold side。
  查看全部1条回复
哈勃 Lv6. 高级专家 2022-06-27

TEC的循环寿命究竟是怎么定义的？是开通-关断算一次？还是加热-制冷交替算一次？官网只说了超过500000次循环寿命，如果直接用PWM驱动，不知道这个TEC能工作多长时间？
用户42588679 Lv3. 高级工程师 2020-11-09

您好，请问有更详细的安装过程介绍吗？
轻语 Lv3. 高级工程师 2019-06-20

最大升温速度7℃/s，最大降温速度5℃/s，这个测试结果是Hot Side接散热器还是Cold Side接散热器？

大王小王 Lv7 2019-06-05

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选型指南 - II-VI MARLOW - 2017年10月27日 PDF 中文下载