Bruke Peltier-moduler for termisk styring av elektroniske systemer

Å takle varmen som genereres av elektroniske komponenter er et uendelig problem. Eraen med den diskrete transistoren, lovende laveffekt kretsdesign, er i stor grad blitt erstattet av mikroelektroniske kretser som ikke bare integrerer tusenvis, men millioner av transistorer.

Mens effekttapet på grunn av ineffektiviteten til en individuell transistor kan være lite, kan den totale summen av disse tapene fra en kompleks IC, for eksempel en mikrokontroller, være betydelig. Når du har designet flere IC-er og forskjellige andre enheter til et stykke elektronisk utstyr, er du tilbake til å trenge å finne en måte å håndtere den resulterende varmen på.

Dette gjelder spesielt når kunder krever stadig større utstyrsfunksjonalitet, og krever at flere og flere enheter pakkes i samme, eller noen ganger enda mindre, plass. En slik økt systemtetthet kan være selvdrepende, men hvis for eksempel klokkehastigheten til en prosessor må senkes for å holde strømforsyningen innenfor termiske grenser.

Veletablerte og velprøvde metoder for å utvinne overflødig varme fra elektronisk utstyr er først og fremst avhengig av prinsippene for ledning og konveksjon. Ledning gir midler for å flytte varme fra stedene der den genereres til et annet sted i systemet og til slutt til det omgivende miljøet.

For eksempel kan varme generert i en IC ledes gjennom kretskortet inn i kabinettet til utstyret, eller inn i en kjøleribbe som skal ledes til den omgivende luften ved konveksjon. I noen systemer er naturlig konveksjon tilstrekkelig, men ofte er det nødvendig å tilsette en vifte for å sørge for luftkjøling.

Imidlertid er tvungen luftkjøling ikke alltid et alternativ for termisk styring. Noen systemer er lukket og har ingen midler til å lufte kjøleluft, mens det i andre situasjoner ikke er mulig å akseptere støy knyttet til kjølevifter. Termoelektriske moduler gir et slikt alternativ og er faktisk solid state varmepumper som kan brukes til både kjøling og oppvarming.

Hva er en Peltier termoelektrisk modul?

Den termoelektriske effekten vil være kjent for de fleste ingeniører fra dens anvendelse i termoelementer der den brukes til å måle temperaturen. Denne effekten, oppdaget av Thomas Seebeck på begynnelsen av 1800-tallet, får en strøm til å strømme når det er en temperaturforskjell mellom kryssene til to forskjellige ledere.

Peltier-effekten, oppdaget av Jean Peltier et tiår senere, demonstrerte det motsatte prinsippet, slik at varmen kunne slippes ut eller absorberes ved å føre strøm gjennom to forskjellige ledere. Imidlertid ble praktisk anvendelse av Peltier-effekten bare mulig gjennom fremskritt innen halvlederteknologi fra midten av 1900-tallet, og bare nylig har moderne teknikker muliggjort effektive termoelektriske moduler.

Implementeringen av en Peltier termoelektrisk modul bruker N-type og P-type Bismuth Telluride halvledermaterialer koblet til en strømkilde og klemt mellom termisk ledende metalliserte keramiske underlag. Parene med P / N halvlederpellets er elektrisk koblet i serie, men termisk anordnet parallelt for å maksimere termisk overføring mellom de varme og kalde keramiske overflatene på modulen (se figur 1).

Figur 1. Strukturen til en Peltier-modul bruker en rekke dopede halvlederpellets

Bruk av en likestrøm får de positive og negative ladningsbærerne til å absorbere varme fra en underlagsoverflate og overføre og frigjøre den til underlaget på motsatt side (se figur 2). Derfor blir overflaten der energi absorberes kald og den motsatte overflaten, der energien frigjøres, blir varm. Å snu polariteten reverserer de varme og kalde sidene.

Figur 2. Peltier-prinsippet ved bruk av N-type og P-type Bismuth Telluride halvledermaterialer

Fordelene med Peltier-moduler

Som nevnt i begynnelsen er den viktigste motivasjonen for å bruke Peltier-moduler at de er ideelle for situasjoner der tvungen luftkjøling ikke er et alternativ, f.eks. i forseglet utstyr / miljøer. Andre viktige fordeler de tilbyr inkluderer:

Nøyaktig temperaturkontroll og rask temperaturrespons:

• For en hvilken som helst gitt modul som fungerer med en kjent temperaturforskjell mellom de varme og kalde overflatene, er det veldefinerte forhold som bestemmer forsyningsstrømmen som må påføres for å oppnå den nødvendige varmeabsorpsjonen. Raske tilbakekoblingskretser gjør det mulig å kontrollere temperaturer i en brøkdel av en grad.

Kompakt formfaktor og lett

• Peltier-moduler kan være ekstremt kompakte, med høydeprofiler så lave som 3 mm. Denne funksjonen er spesielt attraktiv for applikasjoner der størrelse og vekt er en bekymring.
• Kan avkjøles under omgivelsene
• Fordi Peltier-moduler gir aktiv kjøling for å fjerne varme, er de i stand til å oppnå temperaturer under omgivelsene. Av denne grunn gir produsenter vanligvis ytelsesdata for en varm overflatetemperatur på 27 ° C samt 50 ° C.
• Høy pålitelighet på grunn av solid state-konstruksjon uten bevegelige deler
• I motsetning til kjølesystemer med tvungen luft som bruker vifter med en begrenset levetid, har Peltier-moduler ingen bevegelige deler som kan slites ut. Når du opererer med en konstant temperaturforskjell, kan en typisk MTBF (gjennomsnittstid mellom feil) være 100.000 timer.
• Miljøvennlig
• Fordi Peltier-moduler ikke bruker kjølemedier, er det ingen risiko for miljøet hverken fra utslipp under drift eller når utstyr kastes på slutten av levetiden.
• Kan brukes til kjøling eller oppvarming
• Ved å reversere strømmen kan Peltier-moduler brukes til å pumpe varme inn i et system i stedet for å trekke ut varme. Faktisk kan de også brukes som termoelektriske generatorer for å høste energi fra spillvarme.

arcTEC ™ Structure - en avansert konstruksjonsteknikk for å bekjempe termisk utmattelse

En kjent ulempe ved konvensjonelt produserte termoelektriske kjølere er termisk utmattelse, som kan påvirke integriteten til loddebindingene mellom den elektriske sammenkoblingen (kobber) og P / N halvlederelementene, så vel som lodde- eller sinterbindingene mellom sammenkoblingen og det keramiske substratet. , som vist i figur 3. Selv om disse bindingsteknikkene normalt skaper sterke mekaniske, termiske og elektriske bindinger, er de ufleksible, og når de utsettes for gjentatte oppvarmings- og kjølesykluser som er typiske for normal drift av Peltier-modul, kan de brytes ned og til slutt mislykkes .

Figur 3. Peltier-modulstruktur med konvensjonelle lodde- og sinterbindinger

ArcTEC ™ -strukturen er en avansert konstruksjonsteknikk for Peltier-moduler, utviklet og implementert av CUI for å bekjempe effekten av termisk utmattelse. I arcTEC-strukturen erstattes den konvensjonelle loddebåndet mellom kobberens elektriske sammenkobling og det keramiske underlaget på den kalde siden av modulen med en varmeledende harpiks. Denne harpiksen gir en elastisk binding i modulen som muliggjør utvidelse og sammentrekning som oppstår under gjentatt termisk sykling av normal drift av Peltier-modulen. Elastisiteten til denne harpiksen reduserer spenninger i modulen mens den oppnår en bedre termisk forbindelse og en overlegen mekanisk binding, og viser ingen markant fall i ytelse over tid.

Figur 4. CUIs arcTEC-struktur erstatter den kalde keramiske til kobberbindingen med harpiks og bruker SbSn-lodde i stedet for konvensjonell BiSn-lodde for kobber til halvlederbindinger

Sammen med harpiksbindingen bruker moduler med arcTEC-strukturen SbSn-loddetinn for å erstatte BiSn-loddet som vanligvis brukes mellom P / N-halvlederelementene og kobberforbindelsen - se figur 4. Med sitt mye høyere smeltepunkt på 235 ° C sammenlignet med 138 ° C for BiSn, SbSn loddetinn gir overlegen motstand mot termisk utmattelse og bedre skjærstyrke.

arcTEC struktur gir forbedret pålitelighet og termisk ytelse

Forbindelsesfeil i Peltier-moduler manifesterer seg som en økning i motstand og forsterkes av gjentatt termisk sykling. Ettersom levealderen til en modul er avhengig av kvaliteten på disse bindingene, er endringen i motstand med antall termiske sykluser en nyttig prediktor for svikt. Det demonstrerer videre den sterke forskjellen mellom moduler bygget med og uten arcTEC-strukturen, som det fremgår av resultatene presentert i figur 5.

Figur 5. Pålitelighet for arcTEC-strukturen versus moduler med standardkonstruksjon

Det andre fremskrittet som tilbys av arcTEC-strukturen er bruken av P / N-elementer laget av premium silisium som er opptil 2,7 ganger større enn de som brukes av andre moduler. Dette sikrer en mer jevn kjøleytelse, og unngår ujevne temperaturer som bidrar til risikoen for kortere levetid, samtidig som det gir mer enn 50% forbedring av kjøletiden sammenlignet med konkurrerende moduler - et ytelsesgap som utvides som antall termiske sykluser øker (se figur 6).

Figur 6. Sammenligning mellom IR-temperaturfordelingen til en konvensjonell Peltier-modul (topp) og en modul bygget ved hjelp av arcTEC-strukturen (nederst)

Konklusjon

Termoelektriske moduler er et annet verktøy til rådighet for designingeniører som må kjempe mot overflødig varme generert av stadig mer komplekse integrerte kretser og andre elektroniske komponenter som er begrenset i stadig mindre rom. Stilt overfor forseglede miljøer, hvor tvungen luftkjøling har blitt ineffektiv, blir Peltier-modulen den ideelle løsningen. Videre muliggjør termoelektriske moduler presis temperaturkontroll og muliggjør avkjøling under omgivelsene.

Mens fordelene med termoelektriske moduler som fungerer som varmepumper for å fjerne varme blir mer populære, gir reduksjonen i forventet levealder på grunn av termisk utmattelse fra gjentatte oppvarmings- og kjølesykluser et problem for konvensjonelle termoelektriske kjølere. Dette problemet oppstår på grunn av de sterke, men fleksible båndene som er nødvendige for å koble de indre elementene i modulen for å få den til å fungere.

Imidlertid takket være arcTEC-strukturen implementert i CUIs linje av

Peltier-moduler med høy ytelse

, dette problemet har møtt sin kamp. CUIs Peltier-moduler med arcTEC-strukturen leverer vesentlig bedre pålitelighet, over 30.000 termiske sykluser og mer enn 50% forbedring av kjøletiden sammenlignet med konkurrerende enheter, og dekkes termisk styringsbehov der tvungen luftkjøling ikke er et alternativ.

For mer informasjon om Peltier Devices, besøk

http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

Om forfatteren

Jeff Smoot er visepresident for Applications Engineering, CUI Inc.