硬件设计零星知识点：05 半导体制冷器（TEC）工作原理和选型方法

一、简介

TEC（Thermoelectric cooler），全称热电制冷器，俗称半导体制冷片，本质上是一个利用帕尔贴效应原理的“热量搬运工”。电路中P型半导体和N型半导体组成一对单元，通电时会在一端产生电子空穴对，内能减小，温度降低，形成冷端；另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，形成热端。

可以通俗理解为：一通直流电，内部的半导体电偶对就像一大群勤快的小工，强制把热量从冷面搬运到热面，实现一面制冷、另一面制热。如果电流反向，冷热面也立刻互换。所以，在一个半导体制冷片上，既可以制冷，也可以加热。
TEC的优点如下:

• 无振动
• 无噪声
• 响应极快
• 控温精度能轻松做到±0.01℃

需要注意的是，在热量转运过程中，TEC本身也会产生热量。

二、关键技术指标

TEC有几个重要的性能参数指标。以某厂家的PT4-12-F2-3030-TA-W6为例，首先我们先看尺寸信息，然后再关注电气物理指标。

2.1 尺寸

尺寸大小为AxBxCxD=30x30x34x3.2（单位mm）。

需要注意的是，TEC的尺寸不宜太大，因为TEC工作时温度变化较大，热胀冷缩会发生形变。如果TEC尺寸太大，很容易使电绝缘体（即TEC的上下表面，材质通常为陶瓷）发生破裂。

2.2 电气物理指标

TEC的主要性能指标如下，下文将逐个解释各个技术指标的具体含义。

2.2.1 Qcmax（ΔT=0）

• Qc = 冷端能吸走的热量（制冷量）
• max = 最大值

所以，Qcmax就是最大制冷量，单位是瓦特（W），表示它一秒钟最多能从冷面带走多少焦耳的热量。根据上图的指标，当热面温度为27℃时，该TEC冷热面的温差为0时，可以转运的最大热量为33W。

• 用通俗的话解释：把TEC看作是一个搬砖工，当楼梯高度为零时（冷热端温度完全一样，温差为0），他不用花力气爬楼，所有力气都用来搬砖，这时搬的砖最多——这就是 Qcmax。一旦他开始爬楼梯（产生温差），体力被分了，搬的砖就变少了。
  

• 举一个具体的例子：环境温度为27℃，电路上某颗芯片的发热功率为33W，把这款TEC的制冷面贴在芯片上，理论极限上来说，TEC可以完全把芯片发热的33W全部传导出去，使芯片温度等于室温27℃。

总结：Qcmax 是制冷片的潜力天花板， 如果你需要制冷片制造很大温差（比如把东西冻到零下），那它能提供的实际制冷量，可能连 Qcmax 的 30% 都不到。

2.2.2 ΔTmax（Qc=0）

• ΔT = 冷端和热端的温度差（楼梯高度）
• max = 最大值

ΔTmax（Qc=0）表示冷端最低能被制冷片拉到多凉。根据上图的指标，当热端用风扇吹着维持在27℃，冷端空载，此时冷端可以降温到 27-70.5=-43.5℃。

• 用通俗的话解释：把搬砖工身上所有的砖头都卸掉，让他空着手，不许搬任何砖，一门心思只爬楼梯。那么，他能爬到的最高楼层，就是 ΔTmax。爬到 ΔTmax 时，他累得两腿发抖，到达了极限高度。这时候你再往他手里递哪怕一块小小的砖（哪怕只是很微小的热负载），他都会立刻往下滑一截（温差马上缩小）。
  
• 举一个具体的例子：环境温度为27℃，冷端空载，则理论极限上来说，TEC的冷面可以达到的最低温度为 27-70.5=-43.5℃。
• 总结：ΔTmax 是制冷片在完全不吸收任何外界热量的空载状态下，冷端能比热端凉多少度的极限。

帕尔贴元件本身是固体材料，热量会自然而然地从热端漏回冷端（热传导）。他越往上爬，热端和冷端的温差越大，这股往回漏的热流就越猛。
当他往上爬的力气，刚好和楼梯往下溜的力抵消时，他就卡在那个高度不动了——这个动态平衡点，就是 ΔTmax。

2.2.3 Imax（I@△T max）

Imax（I@△T max）为4A，就是当在最大温差时，TEC可加载的最大电流为4A。

2.2.4 Vmax（V@△T max）

Vmax（V@△T max）为13.9V，就是当在最大温差时，TEC加载的最大电压为13.9V；

2.2.5 Module Resistance

Module Resistance（模块电阻）TEC的电阻为3.24欧。
模块电阻的作用：

1. 体检：模块电阻可用来判断TEC的好坏。比如规格书写着 25℃ 时电阻 2.0Ω，你实测 3.0Ω，那这货多半内部有微裂纹，快报废了。
2. 计算电源：你想达到某个电流 I，电源需要克服的电压 V = I × R（电阻）+ 反电动势。已知 R，你就能算出该配多大的电源。

三、选型方法

假如被散热的芯片需要散掉Qc=15W，TEC冷端贴在芯片上，要让冷端达到0℃左右，用上述型号的TEC，那么确定参数的顺序是：

（1）根据冷端吸热功率确定电流
冷端吸热功率也就等于被散热的芯片的发热功率15W。那么根据下图的冷端吸热功率-电流曲线，当热端温度为27℃时，选取ΔT=30℃的曲线，那么冷端面为-3℃，符合0℃左右的需求。从曲线中，ΔT=30℃、15W对应的工作电流为2.6A。

（2）根据电流确定电压
再根据电压-电流曲线，当ΔT=30℃、电流为2.6A时，对应的电压约为9.2V。

（3）根据电流确定COP
COP（Cooling Performance Rate）热电制冷效率，前文中提到了TEC转运热量Qc的过程中，TEC本身也会产生热量P_in（电流电压的乘积），二者的比值就为COP，即COP=Qc/P_in。
根据COP-电流曲线，当ΔT=30℃，电流2.6A时，COP约为0.6。本例中，Qc =15W，COP=0.6，那么P_in=25W，计算得到TEC的散热端需要散掉的总热量为Qc+P_in=40W。

（4）根据电压得到热端散热功率
再根据热端散热功率-电压曲线，当ΔT=30℃，电压9.2V时，总热量约为40W，验证了根据曲线3计算得到的总热量40W，如果计算的话，TEC的P_in=电流x电压=2.6Ax9.2V=23.92W.
考虑到读取曲线时，电流、电压、COP值都会有误差，23.92W与理论计算值25W非常接近，也是侧面得到了验证。

至此，TEC的所以工作参数都在特性曲线中得到了，散掉Qc =15W的热量，热端温度为27℃，△T=30℃，冷端面为-3℃，电流2.6A，电压9.2V，COP0.6，总热量40W。
在TEC的制热面，安装的散热片和风扇需要达到40W的散热能力。