【经验】热电冷却器TEC的选型设计步骤

时间： 2019-06-28 来源：热电新能源

热电制冷器的选型是一个迭代过程。除基本尺寸信息之外，一个典型的TEC技术规格书中还包含如下基本信息：

Q_cmax:当冷热面温差为0℃时，热电冷却器能够转移的热量。

I_max:热电冷却器允许通过的最大电流；

V_max:热电冷却器通过最大电流时，热电冷却器两端的电压；

D_Tmax:当热电冷却器通过最大电流，同时，热电冷却器加载的热量为零时，热电冷却器两端所达到的最大温差。

COP：综合性能系数（coefficientof performance），表示冷却的热量值与输入能量的比值Qc/(V*I)；

T_h：热电冷却器热端温度；

R_AC：热电冷却器的电阻。

下图为某TEC基本参数表：

对于TEC而言，当运行温度不同时，由于电气性能变化，上文所提及的关键参数也将有所不同。此例中，取热端温度为50℃的性能参数。假定需求场景为：发热芯片功耗为20W，要求温度控制在26℃，依此计算此TEC的工作点（工作电流和工作电压）。

芯片温度控制在26℃，则温升要求为24℃。通过规格书中的制冷量、电流、温差图，获知工作电流应为4A：

此处4A的电流，指的是TEC工作稳定之后的电流，启动时，工作电流稍大。在某些TEC规格书中还提供有电压、电流和温差线图，此时，可以在此图中将对应的电压线找到，并使得温差为零（初始状态，冷热面温差为零），回溯获得初始电流值。如果规格书中并未提供此图，则通常按照稳态电流值的~1.2倍设置。

根据电流、电压、温差图，查知工作电压为4.5V。依工作电压和工作电流，计算得为实现当前热传量并维持所要求的温差，所需输入功率为Pin = I * V = 4A * 4.5V = 18 W. 换算知此时TEC综合效率系数为COP = 20W/18W= 1.11.

COP值还可以在COP、电压、温差图中查知。

从此图中，不仅可以查知COP值，还可判定在此工作温差、工作电压下TEC工作的最高效率点。按照此图显示，COP值显然不在最优点。此TEC实现20W功耗，在环境温度为24℃时，控制芯片结温为26℃时，需要输入的额外电能为18W。为了达到这样的效果，还要满足如下两个信息：

电路的设定，需要能够支持TEC的电流需求；

TEC热面装配的散热器，能够在维持热面温度为50℃的前提下，稳定地散失38W（芯片发热量20W+TEC输入功率18W）的热量。

由此，不难看出，TEC的设计选型，需要电路和散热器的匹配设计。而且，散热器的热负荷等于芯片发热量与TEC输入功率之和。当TEC的COP值不高时，为了将芯片的特定功耗及时转移，TEC需要更高的输入功耗，这样不仅使得设计方案能效降低，还会增加散热器的热负荷，给热量的最终转移带来困难。因此，TEC的选型是一个迭代过程。在最终选定TEC前，需要采用上述方法对比多个TEC的综合效率值，选则能效比最高的热电冷却器，实现最节能、外部散热系统设计需求最小的方案。

深圳热电新能源科技有限公司，依托南方科技大学理学院副院长兼物理系主任-何佳清教授带领的热电材料研究团队，研究生产高性能热电材料和制冷片、发电片及其模组，满足不同应用场景、不同层次需求。

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