TEC科普小课堂丨揭秘半导体致冷器的“制冷”和“制热”原理

很多人都听说过半导体制冷片（Thermoelectric Cooler, TEC），但对它的工作原理和选型方法并不了解。下面我将介绍TEC的工作原理，并且提供一些实用的选型指南，帮助大家在实际应用中选出合适的TEC产品。

01 半导体制冷工作原理-帕尔帖效应

半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它的工作原理基于热电效应中的帕尔帖效应。1834年，一位名叫帕尔帖的法国物理学家发现：当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，而放热或吸热的大小由电流的大小来决定，它的热量计算公式为：Q=π*I。这就是帕尔帖效应，也是半导体致冷器的基础工作原理。

02 帕尔帖效应在半导体制冷器中的应用

下面我们一起来看看帕尔帖效应在半导体致冷器中的实际应用。如图所示，将一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处会产生温差和热量的转移。其中，P元件里的载流子是空穴，N元件里的载流子是自由电子。在上方接头处，电流方向P→N，温度上升并放热，这是热端；在下方接头处，电流方向N→P，温度下降并吸热，这是冷端。

▲ 帕尔帖效应应用模型

 

将若干对半导体热电偶在电路上串联起来，就构成了一个常见的热电制冷堆。接上直流电源后，热电堆上面是热端，下面是冷端，借助热交换器等传热手段，使热电堆的热端不断散热并保持一定温度，将冷端放入工作环境中吸热降温，这就实现了帕尔帖效应在半导体致冷器中的应用。

03 TEC制冷和制热模式的温差区别

看完以上内容，我们发现了半导体致冷器的神奇之处：它能实现制冷和制热两种效果。

▲ 半导体致冷器和外围器件连接模型（图示为制冷简图，制热时图标反向）

 

上图为半导体致冷器和外围器件的连接模型。Tc表示被制冷物体（Object Being Cooled）一侧的冷面温度，也就是目标温度；Th表示散热器（Heat Sink）一侧的热面温度，Ta表示器件工作时的环境温度。

①当Tc＜Ta时TEC为制冷模式，此时Tc＜Th

②当Tc＞Ta时TEC为制热模式，此时Tc＞Th

04 TEC制冷和制热模式的基本结构

由于制冷和制热是两种相反的温控效果，半导体致冷器在制冷和制热两种模式下的基本结构也呈现相反状态。

▲ 半导体致冷器制冷模式结构

 

上图为半导体致冷器的制冷模式结构。N 型DICE连接直流电源正极（一般为红色导线），P 型DICE连接电源负极（一般为黑色导线），电流在各个半导体元件中开始流动。上部的各个接合电极开始吸热，通过DICE传导到下部的各个接合电极。这一部分移动的热量和输入电力转化而成的热量，会一起通过下部的接合电极释放出来。

▲ 热电致冷器制热模式结构

 

假设将直流电源连接在TEC上的正负极相互交换，TEC上下面吸放热关系也会随之变换（也可选择正负极不变，内部PN倒装），这就形成了半导体致冷器的制热模式结构。

05 半导体制冷相关的性能参数

在选择半导体致冷器时，它的综合性能（如制冷能力、散热能力等）是我们的重点关注对象。而半导体致冷器的这些综合性能主要由Imax、Vmax、DTmax和Qcmax这四个性能参数来决定，下面我们一起来看看这些参数分别代表什么含义。

①Imax（最大电流）：当放热面和吸热面之间的温差ΔT达到最大值时通过TEC的电流值。此时，TEC的吸热量Qc为0。Imax反映了TEC在最大温差条件下的电流极限。

②Vmax（最大电压）：当接通最大电流值Imax时TEC两端的电压值。此时，TEC的吸热量Qc为0。Vmax反映了TEC在最大电流条件下的电压极限。

③DTmax（最大温差）：当接通最大电流值Imax时，TEC放热面和吸热面之间的最大温差ΔT(Th-Tc)。此时，TEC的吸热量Qc为0。DTmax反映了TEC的最大制冷能力。一般来说，在热面温度一致的前提下，DTmax越大，半导体材料的性能越好。

④Qcmax（最大制冷功率）：当接通最大电流值Imax时TEC的吸热量。此时，吸热面和放热面的温差ΔT为0。Qcmax反映了TEC在最佳工作条件下的最大制冷能力。

我们可以根据以上四个重点参数全面评估TEC的性能，确保其在实际应用中达到预期的制冷效果。

06 教你计算方法/TEC-12706

TEC的性能参数不仅能通过模拟计算得到理论值，还能通过实验测试得到实测值。下表是TEC-12706在热面温度Th=50℃时的性能参数表。那么，在已知最大温差/最大制冷量的情况下，如何推算出其它性能参数值？小cool将通过应用公式为你计算说明。

▲ TEC-12706性能参数

 

应用公式：

●DT=Th-Tc 即温差=热面温度-冷面温度

●V=Sm*DT+I*Rm 即输入电压=温差发电+欧姆定律

●Qh=Qc+V*I 即放热量=吸热量+电压*电流

*其中Sm为半导体材料的塞贝克系数，Rm为半导体致冷器的电阻，它们都是随温度变化的动态值。

 

①当最大温差DTmax=83℃时，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

▲ 最大温差DTmax=83℃，放热量Qh=108.6W

 

 

②当最大制冷量Qcmax=56.7W时，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图纸25℃时电阻值为2.18-2.68Ω，平均电阻值为2.43Ω。依据材料特性：每升温一度电阻值增加0.5%，故50℃时电阻值Rm=2.75Ω

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

▲ 最大制冷量Qcmax=56.7W时，放热量Qh=155.7W

 

07 看懂性能关系图/TEC-12706

除了计算，还可以通过查阅（Qc、V、Qh、COP& I）四种性能关系图（均在热面温度一定的条件下）全面了解TEC在不同工作条件下的性能表现。在实际应用场景中，帮助用户优化TEC的应用配置。

①Qc VS I图：不同温差下输入电流与制冷功率的关系图▼

 

•曲线用途：确认TEC是否有足够的制冷能力来满足应用要求。

•确认制冷能力：确保制冷器能够提供足够的制冷功率。

•选择合适工作点：找到最佳的输入电流和温差组合，使TEC在高效区间内工作。

 

②Qh VS I图：不同温差下输入电流与热面散热功率的关系图▼

 

•曲线用途：确认散热器是否有足够的散热能力来满足应用要求。

•确认散热能力：确保散热功率足够系统能有效处理TEC产生的热量。

•选择合适工作点：根据实际所需达到的制冷效果，找到对应的输入电流和相应的热面散热功率。

 

③V VS I图：不同温差下输入电流与电压的关系图▼

 

•曲线用途：选定TEC型号后，确定它在特定工作条件下所需的电源电压值。

•选择合适工作点：用户可以先通过Qc VS I曲线图确定合适的输入电流和温差，然后通过V VS I曲线图查找对应的电源电压值，确保提供的电源电压与TEC的工作电压相匹配。

•优化电源配置：通过合理选择电源电压，让TEC在高效区间工作，避免因电压不足或过高导致效率低下或造成设备损坏。

 

④COP VS I图：不同温差下输入电流与COP（制冷效率）的关系图▼

 

•用途：确定COP（COP系数为制冷功率与输入功率的比值），从而实现制冷能力的最大化以及输入功率（功耗）的最小化。

•确定最佳工作点：用户可以通过该曲线找到特定温差下的最大COP值，选择相应的输入电流，确保TEC在高效区间工作。

•优化能耗：调整输入电流，在制冷功率足够的同时尽量减小输入功率（降低功耗），提高系统的整体效率。

如果你对半导体制冷相关知识感兴趣，或者对半导体制冷有任何需求，欢迎留言交流~