การใช้โมดูล Peltier สำหรับการจัดการความร้อนของระบบอิเล็กทรอนิกส์

การรับมือกับความร้อนที่เกิดจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นปัญหาที่ไม่มีที่สิ้นสุด ยุคของทรานซิสเตอร์ที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งมีแนวโน้มการออกแบบวงจรไฟฟ้ากำลังต่ำได้รับการแทนที่โดยวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่รวมทรานซิสเตอร์ไม่มากนักนับล้านตัวเท่านั้น

ในขณะที่การสูญเสียพลังงานเนื่องจากประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์แต่ละตัวอาจเล็กลงผลรวมของความเสียหายเหล่านี้จาก IC ที่ซับซ้อนเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์อาจเป็นรูปธรรมได้ เมื่อถึงเวลาที่คุณได้ออกแบบ IC และอุปกรณ์อื่น ๆ ไว้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แล้วคุณจะต้องหาวิธีจัดการกับความร้อนที่เกิดขึ้น

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อลูกค้าต้องการความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์มากขึ้นโดยต้องใช้อุปกรณ์มากขึ้นเพื่อบรรจุลงในพื้นที่เดียวกันหรือบางพื้นที่แม้แต่น้อย ความหนาแน่นของระบบที่เพิ่มขึ้นดังกล่าวสามารถเอาชนะตัวเองได้แม้ว่าจะต้องมีการลดความเร็วนาฬิกาของโปรเซสเซอร์เพื่อให้การกระจายพลังงานภายในขอบเขตความร้อน

วิธีการที่ดีและได้รับการพิสูจน์แล้วในการสกัดความร้อนส่วนเกินจากอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์ส่วนใหญ่ใช้หลักการการนำและพาความร้อน การเหนี่ยวนำให้ความหมายในการเคลื่อนย้ายความร้อนจากสถานที่ซึ่งเกิดขึ้นที่อื่นในระบบและจากนั้นไปสู่สภาพแวดล้อมรอบข้าง

ตัวอย่างเช่นความร้อนที่สร้างขึ้นในวงจรไอซีอาจดำเนินการผ่านแผงวงจรไฟฟ้าเข้าไปในตู้อุปกรณ์หรือในอ่างระบายความร้อนที่จะกระจายไปสู่อากาศโดยรอบด้วยการพาความร้อน ในบางระบบการหมุนเวียนตามธรรมชาติก็เพียงพอแล้ว แต่จำเป็นต้องมีการเพิ่มพัดลมเพื่อให้อากาศเย็นแบบบังคับด้วย

อย่างไรก็ตามการระบายความร้อนโดยใช้อากาศบังคับไม่ใช่ตัวเลือกสำหรับการจัดการความร้อน บางระบบถูกปิดและไม่มีวิธีระบายอากาศเย็นในขณะที่ในสถานการณ์อื่น ๆ เสียงที่เกี่ยวข้องกับพัดลมระบายความร้อนอาจไม่เป็นที่ยอมรับ โมดูลเทอร์โมอิเล็กตริกนำเสนอทางเลือกใหม่และเป็นปั๊มความร้อนแบบ solid state ซึ่งสามารถใช้สำหรับการระบายความร้อนและความร้อน

โมดูลเทอร์โมไฟฟ้าของ Peltier คืออะไร?

ผลเทอร์โมอิเล็กตริกจะเป็นที่รู้จักสำหรับวิศวกรส่วนใหญ่จากการประยุกต์ใช้ในเทอร์โมคัปเปิลซึ่งจะใช้เพื่อวัดอุณหภูมิ ผลที่ได้รับการค้นพบโดย Thomas Seebeck ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ทำให้เกิดกระแสในปัจจุบันเมื่อมีอุณหภูมิแตกต่างกันระหว่างจุดเชื่อมต่อของตัวนำสองเส้นที่แตกต่างกัน

ผล Peltier ซึ่งค้นพบโดย Jean Peltier ทศวรรษต่อมาได้แสดงให้เห็นถึงหลักการที่ตรงกันข้ามทำให้ความร้อนถูกปล่อยออกมาหรือดูดซึมโดยการไหลผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำที่ไม่เหมือนกันสองตัว อย่างไรก็ตามการประยุกต์ใช้ Peltier ในทางปฏิบัติได้กลายเป็นไปได้เฉพาะในความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 และเมื่อเร็ว ๆ นี้มีเทคนิคที่ทันสมัยเท่านั้นที่เปิดใช้โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพ

การใช้โมดูลเทอร์โมอิเลคทรอนิคส์ Peltier ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และ B ชนิดบิสมัทเทลลูทู ธ ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและวางซ้อนกันระหว่างพื้นผิวเซรามิกที่ทำด้วยความร้อน คู่ของเม็ดเซมิคอนดักเตอร์ P / N มีการเชื่อมต่อด้วยระบบไฟฟ้าเป็นแบบอนุกรม แต่จะจัดเรียงตามแนวขนานเพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวเซรามิกร้อนและเย็นของโมดูล (ดูรูปที่ 1)

รูปที่ 1. โครงสร้างของโมดูล Peltier ใช้อาร์เรย์ของเม็ดเซมิคอนดักเตอร์ที่เจือปน

การใช้แรงดันไฟฟ้า dc ทำให้ผู้ให้บริการประจุบวกและลบดูดซับความร้อนจากพื้นผิวของพื้นผิวชิ้นเดียวและถ่ายโอนและปล่อยลงสู่พื้นผิวด้านตรงข้าม (ดูรูปที่ 2) ดังนั้นผิวที่ดูดซับพลังงานจะเย็นและพื้นผิวตรงข้ามซึ่งพลังงานจะถูกปล่อยออกมาจะร้อนขึ้น การกลับขั้วกลับด้านร้อนและเย็น

รูปที่ 2. หลักการ Peltier โดยใช้วัสดุประเภทเซมิคอนดักเตอร์ Bismuth Telluride ชนิด N และชนิด P

ข้อได้เปรียบของโมดูล Peltier

ตามที่ระบุไว้ในตอนต้นแรงจูงใจหลักสำหรับการใช้โมดูล Peltier ก็คือพวกเขาเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่การบังคับอากาศเย็นไม่ใช่ตัวเลือกเช่น ในอุปกรณ์ / สภาพแวดล้อมที่ปิดสนิท ประโยชน์สำคัญอื่น ๆ ที่พวกเขาเสนอ ได้แก่ :การควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำและการตอบสนองต่ออุณหภูมิที่รวดเร็ว:

• สำหรับโมดูลใดก็ได้ที่ทำงานโดยมีอุณหภูมิที่ต่างกันระหว่างพื้นผิวร้อนและเย็นมีความสัมพันธ์ที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนซึ่งจะกำหนดกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นต้องใช้เพื่อให้เกิดการดูดกลืนความร้อนที่จำเป็น วงจรตอบรับอย่างรวดเร็วช่วยให้อุณหภูมิสามารถควบคุมได้ภายในเศษเสี้ยวหนึ่งองศา

มีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา

• โมดูล Peltier สามารถกะทัดรัดมากมีโปรไฟล์ความสูงต่ำถึง 3 มม. คุณลักษณะนี้มีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีความกังวลเรื่องขนาดและน้ำหนัก
• สามารถระบายความร้อนโดยรอบ sub
• เนื่องจากโมดูล Peltier ให้ความเย็นที่ใช้งานเพื่อขจัดความร้อนจึงสามารถให้อุณหภูมิต่ำกว่าบรรยากาศได้ ด้วยเหตุนี้ผู้ผลิตมักให้ข้อมูลประสิทธิภาพสำหรับอุณหภูมิผิวร้อนที่ 27 ° C และ 50 ° C
• ความน่าเชื่อถือสูงเนื่องจากการก่อสร้างแบบ solid-state โดยไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่
• ซึ่งแตกต่างจากระบบทำความเย็นแบบบังคับอากาศที่ใช้พัดลมที่มีแบริ่งมีอายุการใช้งานที่ จำกัด โมดูล Peltier ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งสามารถสึกหรอได้ เมื่อทำงานด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่ตัวเลข MTBF ทั่วไป (หมายถึงเวลาระหว่างความล้มเหลว) อาจเป็น 100,000 ชั่วโมง
• เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
• เนื่องจากโมดูล Peltier ไม่ใช้สารทำความเย็นจะไม่มีความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมทั้งจากการปล่อยสารในระหว่างการทำงานหรือเมื่ออุปกรณ์ถูกกำจัดเมื่อหมดอายุการใช้งาน
• สามารถใช้สำหรับระบายความร้อนหรือความร้อนได้
• โดยการย้อนกลับของกระแสกระแสโมดูล Peltier สามารถใช้เพื่อสูบความร้อนเข้าไปในระบบแทนที่จะดึงความร้อน แท้จริงพวกเขายังสามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจากความร้อนทิ้ง

โครงสร้าง arcTEC ™ - เทคนิคการก่อสร้างขั้นสูงเพื่อลดความเมื่อยล้าด้วยความร้อน

ข้อเสียที่เป็นที่รู้จักของเครื่องทำเทอร์โมเย็นเย็นที่ผลิตตามอัตภาพเป็นความเหนื่อยล้าจากความร้อนซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของพันธบัตรประสานระหว่างการเชื่อมต่อไฟฟ้า (ทองแดง) และองค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ P / N เช่นเดียวกับตัวเชื่อมหรือพันธะระหว่างการเชื่อมต่อและพื้นผิวเซรามิค ดังแสดงในรูปที่ 3 ในขณะที่เทคนิคการยึดติดเหล่านี้สร้างความแข็งแรงเชิงกลความร้อนและไฟฟ้าได้ดีพวกเขาจะยืดหยุ่นและเมื่อต้องผ่านกระบวนการทำความร้อนซ้ำ ๆ และการทำความเย็นตามปกติของการทำงานของโมดูล Peltier ปกติพวกเขาสามารถลดและล้มเหลวได้ในที่สุด .

รูปที่ 3. โครงสร้างของ Peltier ด้วยตัวประสานและพันธบัตรเผา

โครงสร้าง arcTEC ™เป็นเทคนิคการก่อสร้างขั้นสูงสำหรับโมดูล Peltier ซึ่งคิดค้นและใช้โดย CUI เพื่อต่อสู้กับความเหนื่อยล้าจากความร้อน ในโครงสร้าง arcTEC พันธะประสานทั่วไประหว่างตัวเชื่อมต่อไฟฟ้าทองแดงกับพื้นผิวเซรามิคด้านเย็นของโมดูลจะถูกแทนที่ด้วยเรซินที่เป็นตัวนำความร้อน เรซินนี้มีความยืดหยุ่นภายในตัวโมดูลซึ่งช่วยให้การขยายตัวและการหดตัวเกิดขึ้นในระหว่างการปั่นจักรยานตามอุณหภูมิซ้ำ ๆ ของการทำงานของโมดูล Peltier ตามปกติ ความยืดหยุ่นของเรซินนี้จะช่วยลดความเครียดภายในโมดูลขณะที่ได้รับการเชื่อมต่อด้วยความร้อนที่ดีขึ้นและมีโครงสร้างทางกลที่เหนือกว่าและไม่มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานเมื่อเวลาผ่านไป

รูปที่ 4. โครงสร้าง arcTUCUU ของ CUI จะแทนที่เซรามิคเย็นลงไปเป็นทองแดงพันธบัตรกับเรซินและใช้ตัวประสาน SbSn แทนโลหะ BiSn แบบธรรมดาสำหรับทองแดงกับสารกึ่งตัวนำ

พร้อมกับตัวเชื่อมเรซินโมดูลที่มีโครงสร้าง arcTEC ใช้บัดกรี SbSn เพื่อแทนที่ตัวประสาน BiSn ซึ่งมักจะใช้ระหว่างองค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ P / N และตัวเชื่อมต่อทองแดง - ดูรูปที่ 4 โดยมีจุดหลอมเหลวสูงกว่า 235 องศาเซลเซียสเมื่อเทียบกับ 138 ° C สำหรับ BiSn, SbSn solder มีความทนทานต่อความเหนื่อยล้าและความแรงเฉือนที่ดีขึ้น

โครงสร้าง arcTEC ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและความร้อนได้ดีขึ้น

ความล้มเหลวของพันธบัตรภายในโมดูล Peltier แสดงให้เห็นว่าเป็นการเพิ่มความต้านทานและประกอบไปด้วยการขี่จักรยานด้วยความร้อนซ้ำ ๆ เนื่องจากอายุการใช้งานของโมดูลขึ้นอยู่กับคุณภาพของพันธบัตรเหล่านี้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานกับจำนวนรอบความร้อนเป็นตัวบ่งชี้ที่เป็นประโยชน์ในการเกิดความล้มเหลว นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างโมดูลที่สร้างขึ้นด้วยและไม่มีโครงสร้าง arcTEC ซึ่งสามารถเห็นได้จากผลลัพธ์ที่แสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5. ความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง arcTEC เทียบกับโมดูลที่มีการก่อสร้างมาตรฐาน

ความก้าวหน้าอื่น ๆ ที่นำเสนอโดยโครงสร้าง arcTEC คือการใช้องค์ประกอบ P / N ที่ทำจากซิลิคอนพรีเมี่ยมที่มีขนาดใหญ่กว่า 2.7 เท่าของโมดูลอื่น ๆ เพื่อให้แน่ใจได้ถึงประสิทธิภาพในการระบายความร้อนสม่ำเสมอหลีกเลี่ยงอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งจะส่งผลต่อความเสี่ยงในการใช้งานที่สั้นลงในขณะที่ให้เวลาในการทำความเย็นที่ดีขึ้นกว่า 50% เมื่อเทียบกับโมดูลที่แข่งขันกันซึ่งเป็นช่องว่างด้านประสิทธิภาพที่ขยายกว้างขึ้นตามจำนวนรอบการระบายความร้อน (ดูรูปที่ 6)

รูปที่ 6. เปรียบเทียบระหว่างการกระจายอุณหภูมิของ IR ของโมดูล Peltier แบบเดิม (ด้านบน) และโมดูลที่สร้างโดยใช้โครงสร้าง arcTEC (ด้านล่าง)

ข้อสรุป

เทอร์โมอิเล็กทริกโมดูลเป็นเครื่องมืออื่นที่จำหน่ายวิศวกรออกแบบที่ต้องต่อสู้กับความร้อนส่วนเกินที่เกิดจากวงจรรวมที่ซับซ้อนมากขึ้นและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่ถูกคุมขังในพื้นที่ที่มีขนาดเล็กกว่า เมื่อเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิทซึ่งการระบายอากาศแบบบังคับอากาศทำให้ไม่มีประสิทธิภาพโมดูล Peltier กลายเป็นทางออกที่ดี นอกจากนี้โมดูลเทอร์โมสามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำและช่วยระบายความร้อนได้โดยรอบ

ในขณะที่ประโยชน์ของโมดูลเทอร์โมซึ่งทำหน้าที่เป็นปั๊มความร้อนเพื่อขจัดความร้อนกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นการลดอายุการใช้งานเนื่องจากความร้อนจากความเหนื่อยล้าจากความร้อนและการทำความเย็นซ้ำทำให้ปัญหาของเครื่องทำความเย็นแบบเทอร์โมเย็น ปัญหานี้เกิดขึ้นเนื่องจากพันธบัตรที่แข็งแรง แต่ไม่ยืดหยุ่นซึ่งจำเป็นต่อการเชื่อมต่อองค์ประกอบภายในของโมดูลเพื่อให้สามารถทำงานได้

อย่างไรก็ตามด้วยโครงสร้าง arcTEC ที่ดำเนินการในสาย CUI ของ

Peltier โมดูลที่มีประสิทธิภาพสูง

ปัญหานี้ได้ตรงตามที่กำหนด การให้ความน่าเชื่อถือที่ดีกว่าอย่างมากในช่วงวัฏจักรการระบายความร้อน 30,000 รอบและการเพิ่มเวลาในการระบายความร้อนมากกว่า 50% เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่แข่งขันกันโมดูล Peltier ของ CUI ที่มีโครงสร้าง arcTEC จำเป็นต้องมีการจัดการด้านความร้อนของคุณในกรณีที่ระบบระบายความร้อนแบบบังคับอากาศไม่ได้เป็นตัวเลือก สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Peltier Devices แวะชมhttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

เกี่ยวกับผู้แต่ง

Jeff Smoot ดำรงตำแหน่งรองประธานฝ่าย Engineering Applications, CUI Inc