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PID控制TEC半导体制冷片工作状态优化设计
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控制半导体制冷片工作状态优化设计
作者：艾克思
控制温度为当前最普遍的控制策略，几乎涵盖到所有温度控制中，控制温度也能达到非常高的精度。为实现温度控制系统的小型化，系统中往往采用制冷片作为温度制冷加热装置。然而半导体制冷片的工作状态较为复杂，简单的驱动电路往往使得工作效率低、热端发热量大、系统耗电量加大、工作寿命缩短等问题。下面介绍如何将半导体制冷片工作在最佳状态。
最大温差电流为，最大温差电压为，最大制冷功率为，最大温差为℃，外形尺寸为&&。工作的时候，应该在制冷片表面涂上导热硅脂以减少接触热阻，热电堆端面空隙填充绝热性能良好的绝热胶，冷热空间以隔热板隔开尽量减少冷热翅片间的传热，热端推荐采取水冷、风扇强制对流冷却，不推荐空气自然对流冷却热交换形式。
根据热力学制冷原理及半导体制冷基本理论，给出的制冷量、功率消耗、制冷系数、热端发热量等基本公式。如果
热端发热量为，单位；
冷端制冷量为，单位；
制冷片电功率，单位；
制冷效率：&
能够得到简单计算公式：；&；
上面公式意思是热端的发热量等于冷端吸收的热量加上制冷中耗费的电能量，&代表的是制冷片工作效率高低，&的高低决定制冷片质量的好坏，&的取值可能大于，也可能小于。半导体制冷片工作状态优化设计就是要仔细分析&在不同状态下的情况。
图制冷工作特性曲线
制冷片的制冷量、消耗电能、工作效率&都是电流与温差△的函数，在某一给定温差△条件下，、、&仅是电流的函数。从图中可确定Qmax、&、及其所对应的电流值Im、Io、IE，如图所示。
从图可以看出：
制冷量和工作电流，按二次抛物线的规律变化，在电流为Im 时制冷量达极大值；
电功耗也是电流的二次函数，电功耗随电流的增大以平方关系增大。
制冷效率&为制冷系数随电流的变化规律，在电流很小时，&值急剧增大至&值，之后很快地下降直至趋于零。
当前几种驱动工作模式的对比
当前有几种工作模式，这里分类为
固定电压下占空比调节；
恒流模式下占空比调节；
自动适应高效率调节；
种工作模式一般为一个开关电源，然后通过一个开关和串联，当开关导通时，两端电压等于电源电压；当开关断开时，两端电压断开，流过的电流为。这种工作模式两端的电压波形如图所示。
图固定电压下占空比调节电压波形
这个模式具有结构简单，成本低的优点。但是也有明显的缺点，两端电压恒定，当开关导通时，满负荷工作；当开关断开时，停止工作。要么处于状态，要么处于停止状态，这个时候的工作效率较低。这种模式具有：工作效率低、消耗电功率大、热端散热要求高、寿命低的缺点，一般应用在对成本控制较高而不考虑性能的场合下。
种工作模式一般为一个恒流电源，然后直接和连接，当恒流源增大时，流过的电流等于额定电流；当恒流源减小时，流过电流降低，流过的电流为。这种工作模式流过的电流波形如图所示。
图恒流模式占空比调节电流波形
这个模式相比较固定电压模式具有电流冲击为零的特点，使得寿命长，但是它也有明显的缺点，工作效率低、消耗电功率大、热端散热要求高。
种工作模式一般为自适应电源，然后直接和连接。当冷热端温差较大时，自适应电源让满负荷工作，工作在状态；当达到恒温时，自适应电源调节电流，让工作在高效率状态。这种工作模式两端的电压波形如图所示。
图自适应模式下电压波形
在阶段时，满负荷让工作；在阶段时，功率下降，处于过度状态；阶段时，处于高效率工作模式。自适应工作电源具有调节温度速度快、精度高、效率高、寿命高的特点。这种控制一般用于高可靠性、高精度、高效率的使用场合。
调节过程中状态优化说明
如图，这里推荐使用艾克思科技的，智能半导体加热制冷模式自适应驱动源与的连接示意图。
图半导体加热制冷驱动源与的连接示意图
使用这样的连接图，对目标体进行温度控制，该如何设定的工作过程？这里要考虑几点：快速到达设定温度；控制温度精度高；高效率工作；长寿命。
举例：如果室温度，设定目标温度度，处于制冷模式。
推荐工作模式：
第一步：大电流流过，让满负荷工作，对应图中的，这样实现快速的温度到位。
第二步：达到恒温控温状态时，降低的工作电流，追求高效率工作，对应图中的&最大值。
第三步：保证在工作过程中不存在脉冲电压、电流过冲，且热端热量及时带走，实现的长寿命。
第四步：采用算法，实现控制温度的高精度。
综上：经过以上步骤，不管什么样的温度控制系统，采用恒温控制，都可以容易实现快速到达设定温度，控制温度精度高，高效率工作，长寿命的特点。同时具有以上优点，是一款较好的温度控制自适应驱动源。
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半导体制冷片能不能并联？
半导体制冷器单块功率都很大。并联将造成更大的电流。如果要多片，只能串联使用，并注意均流。
采纳率：19%
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半导体制冷片寿命有多长？能用多久？
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半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的PelTIer效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。
　　半导体制冷片原理
　　在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。
　　风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40～65度之间，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度。
　　当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端;由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。
　　半导体制冷片使用注意事项
　　1、当不知道致冷器的冷热面时，可采用这样的方法，将红线接电源正极，黑线接负极，并可在没有散热条件下，瞬间通电进行试验，即用手触摸致冷器的两个端面，会感到有一面的发热，一面稍有冷感，发热的一面为热面，冷感的一面为冷面。但时间不能超过5秒，否则由于热端温度太高，极易造成器件烧坏。
　　2、在一般条件下，引线用红色通常表示为正极：通常用黑色表示为负极，这是热电致冷器工作时的接线方法。需致热时．只要改变电流极性即可。致冷工作必须采用开关电源，电源的纹波系数应小于10％。
　　3、致冷器的热电偶对数及极限电压的识别方法，热电偶对数即指P、N结点的数量。例如：致冷器的型号为TEC1-12706，则127为致冷器的热电偶对数，06为允许电流值：A，致冷器的极限电压≈热电偶对数&TI0.12，例如：TECI-12706的极限电压V＝127&TI0.12＝15.4（V）。正常工作压为极限电压的78%，如TEC1-12706的工作电压为15.4*0.78=12.01V。
　　4、各种致冷器不论在使用还是在试验中，致冷致热交换时应等冷热面的温度恢复到室温，（一般在15分钟以上）。否则易造成致冷器的损坏。
　　5、为了延长热电致冷器的寿命，应对致冷组件四周进行密封处理。我们方法有二种，一种是采用704硅胶密封；另一种是采环氧树脂密封，密封的目的是使致冷器的热电偶与外界空气完全隔离。起着防湿防潮的作用，并可以延长致冷器的寿命。
　　6、在安装时，首先将致冷组件的两面擦试干净，并分别在致冷器的冷热面均匀地涂上一层薄薄的导热硅脂。与致冷器相接触的铝散热器或储冷板的表面应平整，并擦试干净，也在其表面均匀地涂上导热硅脂；在安装过程中致冷器的冷面一定要与储冷板接触良好，热面也应与铝散热器的表面充分接触，（如用螺丝紧固，几个螺丝的用力都应均匀，切勿过度或用力不均）。为达到最佳致冷效果，在储冷板和铝散热器之间应用隔热材料填充，其厚度一般在25-30mm为宜。
　　7、致冷片的安装压力建议在150PSI至300PSI之间，压力太低会造致冷片接触面接触不良，压力太大，会损坏致冷片。
　　8、用户在没有专用仪器的情况下，判断致冷器的合格与否，主要是测试其电阻。可以使用数据电桥或带有补偿的电阻表，测量致冷器的电阻。用万用表测试致冷组件静态电阻不准确，只可供参考。
　　9、在搬运和安装致冷器的过程中，操作人员应轻拿轻放，严禁将致冷片从高处摔下，即使在10-20cm的高度也会造成致冷器的内阻产生明显变化，从而造成致冷器的损坏。
　　10、半导体致冷片使用在以下的场合，其寿命会可能大幅消减：A、频繁使用冷热交替使用B、振动情况下使用C、热端散热器温度超过65度D、工作电压超压使用（建议不超过极限电压的70%）E、致冷片的发热面接触不良F、四周不封胶的致冷片在潮湿的环境中使用
　　11、半导体致冷片使用在以下场合，会存在迅速损坏的可能：A、致冷片的发热面不接触任何散热物件B、致冷片使用电压超过极限工作电压C、致冷片的承受压力超过500PSI
　　半导体制冷片寿命
　　理论寿命很长~约30万小时；实际寿命受由使用状况不同差别很大，在不过流，不过压，冷热端（特别是热端）散热良好，不违规操作（重压，摔打，工作过程中突然转换制冷制热模式等）的情况下，使用5万个小时是很容易达成的；但是许多人，喜欢超功率使用，用高电压，大电流，散热工作又做的不到位，结果1~2年就用坏了，甚至在一些人手上只能用几个月。
　　可以肯定的一个事实：如果遵照标准使用，设计合理，10万个小时是能保证的，因为现在很多的半导体激光打标机里面也用的半导体制冷片对发光单元强冷（用的恒温水冷对半导体制冷片散热），人家厂家保证的机头使用寿命是10万小时。
　　泉州市依科达半导体致冷科技有限公司，坐落于泉州经济技术开发区孵化基地科技园区。泉州市地处东南沿海，自然条件优越，是我国著名历史名城、丝绸之路起点，风景秀丽、气候宜人、经济繁荣、海陆空交通发达，公共设施完善。改革开放之后，泉州市的电子、轻工、机械、陶瓷、茶叶等各行业都得到飞速发展。
　　泉州从上世纪九十年代中期，引进半导体致冷技术，开始生产半导体致冷器件，在行业老一辈专家阮秀沧先生的指导下，产品制造工艺和生产技术不断得到优化，所生产致冷器件的性能和质量都处于国内先进行列。产品畅销国内，并远销欧美、日、韩等国家。产品的技术参数和质量得到国内外用户的认可及肯定。
　　长期生产半导体致冷器件的经历，为泉州市培养、造就了一大批专业人才。我司组织专业优秀技术人员和技术骨干，在阮秀沧先生带领下开展技术攻关，对原有的生产技术和工艺进一步探讨和研究、试验，历经艰苦努力，对各个关键工序都进行了改进（晶棒制造工艺、排模工艺、焊接工艺、表面处理工艺等）达到预期效果，取得圆满成功。特别是我们依靠自身努力，成功研制出N型晶棒压制新工艺，成为国内首家同时拥有P型和N型晶棒压制工艺的厂家。