Wykorzystanie modułów Peltier do termicznego zarządzania systemami elektronicznymi

Walka z ciepłem wytwarzanym przez komponenty elektroniczne jest problemem, który nigdy nie kończy się. Era dyskretnego tranzystora, obiecująca konstrukcja obwodów o małej mocy, została w dużej mierze zastąpiona przez układy mikroelektroniczne, które integrują nie tylko tysiące, ale miliony tranzystorów.

Podczas gdy utrata mocy spowodowana nieefektywnością pojedynczego tranzystora może być mała, całkowita suma tych strat z kompleksu IC, takiego jak mikrokontroler może być znaczna. Zanim skonstruowałeś wiele układów scalonych i innych urządzeń do części elektronicznego sprzętu, musisz znaleźć sposób na poradzenie sobie z wydzielanym ciepłem.

Jest to szczególnie ważne, gdy klienci oczekują coraz większej funkcjonalności urządzeń, wymagając, aby coraz więcej urządzeń było pakowanych w tę samą, a czasem nawet mniejszą przestrzeń. Taka zwiększona gęstość systemu może być samoczynna, chociaż jeśli prędkość zegara procesora musi zostać obniżona, aby utrzymać rozproszenie energii w granicach termicznych.

Ugruntowane i sprawdzone metody wydobywania nadmiaru ciepła z urządzeń elektronicznych polegają przede wszystkim na zasadach przewodzenia i konwekcji. Przewodzenie zapewnia środki do przenoszenia ciepła z miejsc, gdzie jest generowany gdzieś indziej w systemie, a następnie ostatecznie do środowiska otoczenia.

Na przykład ciepło generowane w układzie scalonym może być przeprowadzone przez płytkę obwodową do obudowy urządzenia lub do radiatora przeznaczonego do rozproszenia do otaczającego powietrza przez konwekcję. W niektórych systemach wystarczająca jest konwekcja naturalna, ale często konieczna jest dodatkowa wentylacja zapewniająca chłodzenie wymuszonego powietrza.

Jednakże, wymuszone chłodzenie powietrzem nie zawsze jest opcją do zarządzania temperaturą. Niektóre systemy są zamknięte i nie mają możliwości odpowietrzania powietrza chłodzącego, podczas gdy w innych sytuacjach hałas związany z wentylatorami chłodzącymi może nie być akceptowalny. Moduły termoelektryczne zapewniają taką alternatywę i są w istocie pompami ciepła w stanie stałym, które mogą być stosowane zarówno do chłodzenia jak i ogrzewania.

Co to jest moduł termoelektryczny Peltiera?

Efekt termoelektryczny będzie znany większości inżynierów z jego zastosowania w termoparach, gdzie jest używany do pomiaru temperatury. Ten efekt, odkryty przez Thomasa Seebeck na początku 19 wieku, powoduje przepływ prądu, gdy istnieje różnica temperatur między połączeniami dwóch różnych przewodów.

Efekt Peltiera, odkryty przez Jean Peltier dekadę później, wykazał odwrotną zasadę, umożliwiającą emitowanie lub pochłanianie ciepła przez przepływ prądu przez dwa nieduże przewody. Praktyczne zastosowanie efektu Peltiera stało się możliwe dopiero dzięki zaawansowanym technologiom półprzewodnikowym z połowy XX wieku, a dopiero niedawno zastosowano nowoczesne techniki umożliwiające efektywne moduły termoelektryczne.

Wdrożenie modułu termoelektrycznego Peltier wykorzystuje materiały półprzewodnikowe typu N i typu P Bismuth Telluride podłączone do źródła zasilania i umieszczone pomiędzy metalowymi podłożami metalizowanymi termicznie. Para pól półprzewodnikowych P / N jest połączona elektrycznie szeregowo, ale termicznie umieszczona równolegle w celu maksymalizacji przenikania ciepła między gorącymi i zimnymi powierzchniami ceramicznymi modułu (patrz rysunek 1).

Rysunek 1. Struktura modułu Peltiera wykorzystuje tablicę domieszkowanych peletek półprzewodnikowych

Zastosowanie napięcia dc powoduje, że dodatnie i ujemne nośniki ładowania pochłaniają ciepło z jednej powierzchni podłoża i przenoszą je do podłoża po przeciwnej stronie (patrz rysunek 2). Dlatego powierzchnia, w której energia jest pochłonięta, staje się zimna, a przeciwna powierzchnia, gdzie uwalnia się energia, staje się gorąca. Odwrócenie polaryzacji odwraca gorące i zimne strony.

Rysunek 2. Zasada Peltiera przy użyciu materiałów półprzewodnikowych typu N i P typu Bismuth Telluride

Zalety modułów Peltiera

Jak stwierdzono na wstępie, główną motywacją do korzystania z modułów Peltiera jest to, że są one idealne w sytuacji, gdy wymuszone chłodzenie powietrzem nie jest opcją, np. w zamkniętych urządzeniach / środowiskach. Inne kluczowe korzyści, jakie oferują to:Precyzyjna kontrola temperatury i szybka reakcja na temperaturę:

• Dla każdego modułu pracującego ze znaną różnicą temperatur pomiędzy jej gorącymi i zimnymi powierzchniami, istnieją dobrze zdefiniowane zależności, które określają prąd zasilania, który należy zastosować w celu osiągnięcia wymaganej absorpcji ciepła. Szybkie układy sprzężenia zwrotnego pozwalają kontrolować temperaturę w zakresie ułomków.

Zwarta forma i lekka

• Moduły Peltiera mogą być bardzo zwarte, a profile wysokościowe wynoszą zaledwie 3 mm. Ta cecha jest szczególnie atrakcyjna w zastosowaniach, w których ma znaczenie rozmiar i masa.
• Możliwość chłodzenia podmiejskiego
• Ponieważ moduły Peltiera zapewniają aktywne chłodzenie w celu usunięcia ciepła, osiągają temperatury poniżej temperatury otoczenia. Z tego powodu producenci zazwyczaj dostarczają dane dotyczące wydajności na gorącą powierzchnię 27 ° C oraz 50 ° C.
• Wysoka niezawodność dzięki konstrukcji w stanie stałym bez ruchomych części
• W przeciwieństwie do systemów chłodzenia wymuszonego, które wykorzystują wentylatory, których łożyska mają ograniczony czas użytkowania, moduły Peltiera nie mają ruchomych części, które mogą zużywać się. Przy pracy ze stałą różnicą temperatur typowy MTBF (średni czas między awariami) może wynosić 100 000 godzin.
• Przyjazny dla środowiska
• Ponieważ moduły Peltier nie zawierają czynników chłodniczych, nie ma zagrożenia dla środowiska naturalnego ani z poziomu emisji w czasie eksploatacji, ani w przypadku wyrzucania sprzętu po jego zakończeniu.
• Może być stosowany do chłodzenia lub ogrzewania
• Poprzez odwrócenie przepływu prądu, moduły Peltiera mogą być wykorzystywane do pompowania ciepła w systemie zamiast wydzielania ciepła. Mogą być również wykorzystywane jako generatory termoelektryczne do zbierania energii z ciepła odpadowego.

Struktura arcTEC ™ - zaawansowana technika konstrukcyjna w celu zwalczania zmęczenia cieplnego

Znaną wadą tradycyjnie produkowanych termoelektrycznych chłodnic jest zmęczenie cieplne, które może wpływać na integralność wiązań lutowniczych między elektrycznym łącznikiem (miedź) a elementami półprzewodnikowymi P / N, a także wiązania lutownicze lub spiekanie między połączeniem a ceramicznym podłożem , jak pokazano na rysunku 3. Chociaż te techniki wiązania normalnie wytwarzają silne wiązania mechaniczne, termiczne i elektryczne, są nieelastyczne, a gdy są powtarzane cykle ogrzewania i chłodzenia typowe dla normalnej pracy modułu Peltiera, mogą one rozkładać się i ostatecznie .

Rysunek 3. Struktura modułu Peltiera z konwencjonalnymi spawami lutowniczymi i spiekanymi

Konstrukcja arcTEC ™ to zaawansowana technika konstrukcyjna modułów Peltier, opracowana i wdrożona przez CUI w celu zwalczania skutków zmęczenia termicznego. W strukturze arcTEC tradycyjne wiązanie lutownicze między miedzianą elektro- niczną przerwą a ceramicznym podłożem po zimnej stronie modułu zastępuje żywica termoprzewodząca. Ta żywica zapewnia sprężystość w obrębie modułu, co pozwala na ekspansję i skurcz, które występują podczas powtarzającego się cyklu termicznego normalnej pracy modułu Peltiera. Elastyczność tej żywicy zmniejsza naprężenia wewnątrz modułu, osiągając lepsze połączenie termiczne i lepsze połączenie mechaniczne i nie wykazuje znacznego spadku wydajności w czasie.

Rysunek 4. Struktura arcTU CUI zastępuje zimną ceramikę do wiązania miedzi z żywicą i wykorzystuje lut lutowniczy SbSn zamiast zwykłego lutnika BiSn dla miedzi do półprzewodników

Wraz z wiązką żywiczną moduły z konstrukcją arcTEC używają lutowanego lutowia SbSn do wymiany stopu lutowniczego BiSn typowo stosowanego między elementami półprzewodnikowymi P / N a połączeniem miedzi - patrz rysunek 4. Z jego znacznie wyższą temperaturą topnienia 235 ° C w porównaniu do 138 ° C dla BiSn, lutowanie SbSn zapewnia doskonałą odporność na zmęczenie termiczne i lepszą wytrzymałość na ścinanie.

Struktura arcTEC zapewnia lepszą niezawodność i wydajność termiczną

Uszkodzenie obligacji w obrębie modułów Peltiera ukazuje się jako wzrost oporu i jest powtórzone cyklicznie. Ponieważ żywotność modułu jest zależna od jakości tych wiązań, zmiana oporu o liczbę cykli cieplnych jest przydatnym wskaźnikiem awarii. Pokazuje to wyraźną różnicę między modułami zbudowanymi z i bez struktury arcTEC, co można zobaczyć na podstawie wyników przedstawionych na rysunku 5.

Rysunek 5. Wiarygodność struktury arcTEC w porównaniu z modułami o standardowej konstrukcji

Drugą zaliczek oferowaną przez strukturę arcTEC jest wykorzystanie elementów P / N wykonanych z krzemu premium, które są do 2,7 razy większe niż stosowane przez inne moduły. Zapewnia to bardziej jednolitą wydajność chłodzenia, unikając nierównomiernych temperatur, które przyczyniają się do krótszego czasu pracy, a jednocześnie zapewniają lepszą niż 50% szybkość chłodzenia w porównaniu z modułami konkurującymi - lukę w wydajnościach poszerzającą się wraz z liczbą cykli cieplnych wzrasta (patrz rys. 6).

Rysunek 6. Porównanie rozkładu temperatury w podczerwieni konwencjonalnego modułu Peltiera (góra) i modułu zbudowanego z wykorzystaniem struktury arcTEC (na dole)

Wniosek

Moduły termoelektryczne są kolejnym narzędziem do dyspozycji inżynierów projektantów, którzy muszą walczyć z nadmiarem ciepła wytwarzanego przez coraz bardziej złożone układy scalone i inne elementy elektroniczne ograniczone do coraz mniejszych przestrzeni. W obliczu zapieczętowanych środowisk, gdzie chłodzenie przymusowego powietrza jest nieskuteczne, moduł Peltiera staje się idealnym rozwiązaniem. Ponadto moduły termoelektryczne umożliwiają precyzyjną kontrolę temperatury i umożliwiają chłodzenie podmiejskie.

Podczas gdy korzyści z modułów termoelektrycznych, które działają jak pompy ciepła w celu usunięcia ciepła, stają się coraz popularniejsze, zmniejszenie żywotności spowodowane zmęczeniem cieplnym z powtarzanych cykli ogrzewania i chłodzenia stanowi problem w przypadku konwencjonalnych chłodnic termoelektrycznych. Ten problem powstaje z powodu silnych, ale nieelastycznych wiązań niezbędnych do połączenia elementów wewnętrznych modułu, aby mogły działać.

Jednak dzięki strukturze arcTEC realizowanej w ramach linii CUI

wysokiej jakości moduły Peltiera

, ten problem spełnia jego dopasowanie. Niezawodność, ponad 30 000 cykli termicznych i ponad 50% poprawa czasu chłodzenia w porównaniu z konkurującymi urządzeniami, moduły CUI Peltiera z strukturą arcTEC mają zapotrzebowanie na zarządzanie ciepłem, gdy chłodzenie przymusowe nie jest opcją. Więcej informacji na temat urządzeń firmy Peltier można znaleźćhttp://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

O autorze

Jeff Smoot jest wiceprezesem Applications Engineering, CUI Inc