Využití Peltierových modulů pro tepelnou správu elektronických systémů

Vypořádat se s teplem generovaným elektronickými součástmi je nikdy nekončící problém. Éra diskrétního tranzistoru, slibná konstrukce obvodů s nízkým výkonem, byla do značné míry nahrazena mikroelektronickými obvody, které integrují nejen tisíce, ale miliony tranzistorů.

Zatímco ztráta energie v důsledku neúčinnosti jednotlivého tranzistoru může být malá, celkový součet těchto ztrát ze složitého integrovaného obvodu, jako je mikrokontrolér, může být značný. V době, kdy jste navrhli několik integrovaných obvodů a různých dalších zařízení do elektronického zařízení, jste zpět v hledání řešení, jak se vypořádat s výsledným teplem.

To platí zejména tehdy, když zákazníci požadují stále větší funkčnost zařízení a vyžadují, aby bylo stále více zařízení zabaleno do stejného nebo někdy i menšího prostoru. Taková zvýšená hustota systému může být sebezničující, i když například musí být snížena rychlost procesoru, aby se udržel rozptyl energie v teplotních mezích.

Osvědčené a osvědčené metody získávání přebytečného tepla z elektronických zařízení se primárně opírají o principy vedení a konvekce. Vedení poskytuje prostředky pro přesun tepla z míst, kde se generuje, někam jinam v systému a poté nakonec do okolního prostředí.

Například teplo generované v integrovaném obvodu může být vedeno deskou s plošnými spoji do krytu zařízení nebo do chladiče, který má být odváděn do okolního vzduchu konvekcí. V některých systémech postačuje přirozená konvekce, ale často je nutné přidat ventilátor, který zajistí chlazení nuceným vzduchem.

Nucené chlazení vzduchem však není vždy možností řízení teploty. Některé systémy jsou uzavřené a nemají prostředky k odvzdušňování chladicího vzduchu, zatímco v jiných situacích nemusí být hluk spojený s chladicími ventilátory přijatelný. Termoelektrické moduly poskytují takovou alternativu a jsou ve skutečnosti tepelná čerpadla v pevné fázi, která lze použít jak pro chlazení, tak pro vytápění.

Co je Peltierův termoelektrický modul?

Termoelektrický efekt bude známý většině techniků z jeho aplikace v termočláncích, kde se používá k měření teploty. Tento efekt, který objevil Thomas Seebeck na počátku 19. století, způsobí protékání proudu, když existuje teplotní rozdíl mezi křižovatkami dvou odlišných vodičů.

Peltierův jev, objevený Jeanem Peltierem o deset let později, prokázal opačný princip, umožňující emitovat nebo absorbovat teplo průchodem proudu dvěma odlišnými vodiči. Praktická aplikace Peltierova jevu však byla možná až díky pokrokům v polovodičové technologii z poloviny 20. století a teprve nedávno umožnily moderní techniky efektivní termoelektrické moduly.

Implementace Peltierova termoelektrického modulu využívá polovodičové materiály typu N a P typu Bismuth Telluride připojené ke zdroji energie a vložené mezi tepelně vodivé pokovené keramické substráty. Dvojice P / N polovodičových pelet je elektricky zapojeno do série, ale jsou tepelně uspořádány paralelně, aby se maximalizoval přenos tepla mezi horkým a studeným keramickým povrchem modulu (viz obrázek 1).

Obrázek 1. Struktura Peltierova modulu využívá pole dotovaných polovodičových pelet

Přivedení stejnosměrného napětí způsobí, že kladné a záporné nosiče náboje absorbují teplo z jednoho povrchu substrátu a přenesou ho a uvolní do substrátu na opačné straně (viz obrázek 2). Proto se povrch, kde je energie absorbována, ochladí a protilehlý povrch, kde se energie uvolní, se zahřeje. Převrácení polarity obrací horkou a studenou stranu.

Obrázek 2. Peltierův princip využívající polovodičové materiály typu N a P typu bismut teluridu

Výhody Peltierových modulů

Jak bylo uvedeno na začátku, hlavní motivací pro použití Peltierových modulů je, že jsou ideální pro situace, kdy nucené chlazení vzduchem není možné, např. v uzavřených zařízeních / prostředích. Mezi další klíčové výhody, které nabízejí, patří:

Přesná regulace teploty a rychlá teplotní odezva:

• Pro jakýkoli daný modul pracující se známým teplotním rozdílem mezi jeho horkým a studeným povrchem existují dobře definované vztahy, které určují napájecí proud, který je třeba aplikovat, aby se dosáhlo požadované absorpce tepla. Obvody rychlé zpětné vazby umožňují řídit teploty s přesností na zlomek stupně.

Kompaktní a lehký

• Peltierovy moduly mohou být extrémně kompaktní, s výškovými profily již od 3 mm. Tato funkce je obzvláště atraktivní pro aplikace, kde je důležitá velikost a hmotnost.
• Schopný chlazení pod okolím
• Protože Peltierovy moduly zajišťují aktivní chlazení za účelem odvádění tepla, jsou schopny dosáhnout teploty pod okolní teplotou. Z tohoto důvodu výrobci obvykle poskytují údaje o výkonu pro teplotu horkého povrchu 27 ° C i 50 ° C.
• Vysoká spolehlivost díky polovodičové konstrukci bez pohyblivých částí
• Na rozdíl od systémů chlazení nuceným vzduchem, které používají ventilátory, jejichž ložiska mají omezenou životnost, nemají Peltierovy moduly žádné pohyblivé části, které by se mohly opotřebovat. Při provozu s konstantním teplotním rozdílem může být typická hodnota MTBF (střední doba mezi poruchami) 100 000 hodin.
• Přátelský k životnímu prostředí
• Protože Peltierovy moduly nepoužívají chladiva, nehrozí životnímu prostředí žádné riziko ani z důvodu emisí během provozu, ani při likvidaci zařízení na konci jeho životnosti.
• Lze použít pro chlazení nebo vytápění
• Obrácením proudu lze Peltierovy moduly použít spíše k čerpání tepla do systému než k jeho odběru. Ve skutečnosti je lze také použít jako termoelektrické generátory pro získávání energie z odpadního tepla.

Struktura arcTEC ™ - pokročilá stavební technika pro boj s tepelnou únavou

Známou nevýhodou běžně vyráběných termoelektrických chladičů je tepelná únava, která může ovlivnit integritu pájecích vazeb mezi elektrickým propojením (měď) a P / N polovodičovými prvky, jakož i pájecí nebo sintrové vazby mezi propojením a keramickým substrátem , jak je znázorněno na obrázku 3. I když tyto techniky spojování obvykle vytvářejí silné mechanické, tepelné a elektrické vazby, jsou nepružné a při vystavení opakovaným cyklům ohřevu a chlazení, které jsou typické pro normální provoz modulu Peltier, mohou degradovat a nakonec selhat .

Obrázek 3. Struktura Peltierova modulu s konvenčními pájecími a sintrovými vazbami

Struktura arcTEC ™ je pokročilou konstrukční technikou pro Peltierovy moduly, vyvinutou a implementovanou CUI pro boj s účinky tepelné únavy. Ve struktuře arcTEC je konvenční pájená vazba mezi měděným elektrickým propojením a keramickým substrátem na studené straně modulu nahrazena tepelně vodivou pryskyřicí. Tato pryskyřice poskytuje elastické spojení uvnitř modulu, které umožňuje expanzi a kontrakci, ke které dochází během opakovaného tepelného cyklování normální činnosti modulu Peltier. Elasticita této pryskyřice snižuje napětí uvnitř modulu a zároveň zajišťuje lepší tepelné spojení a vynikající mechanické spojení a nevykazuje žádné výrazné poklesy výkonu v průběhu času.

Obrázek 4. Struktura arcTEC CUI nahrazuje studenou vazbu keramiky na měď pryskyřicí a používá pájku SbSn místo konvenční pájky BiSn pro vazby mědi na polovodiče

Spolu s pryskyřičnou vazbou používají moduly se strukturou arcTEC pájku SbSn k nahrazení pájky BiSn, která se obvykle používá mezi P / N polovodičovými prvky a měděným propojením - viz obrázek 4. S mnohem vyšší teplotou tání 235 ° C ve srovnání s 138 ° C pro BiSn, pájka SbSn nabízí vynikající odolnost proti tepelné únavě a lepší pevnost ve smyku.

Struktura arcTEC přináší vylepšenou spolehlivost a tepelný výkon

Selhání vazby v Peltierových modulech se projevuje zvýšením odporu a je spojeno s opakovaným tepelným cyklem. Protože očekávaná délka života modulu závisí na kvalitě těchto vazeb, je změna odporu s počtem tepelných cyklů užitečným prediktorem selhání. Dále ukazuje ostrý rozdíl mezi moduly postavenými se strukturou arcTEC a bez ní, jak je patrné z výsledků uvedených na obrázku 5.

Obrázek 5. Spolehlivost struktury arcTEC versus moduly se standardní konstrukcí

Další výhodou, kterou nabízí struktura arcTEC, je použití P / N prvků vyrobených z prémiového křemíku, které jsou až 2,7krát větší než u jiných modulů. To zajišťuje rovnoměrnější chladicí výkon, vyhýbá se nerovnoměrným teplotám, které přispívají k riziku kratší životnosti, a současně přináší více než 50% zkrácení doby chlazení ve srovnání s konkurenčními moduly - výkonnostní mezera, která se rozšiřuje s počtem tepelných cyklů zvyšuje (viz obrázek 6).

Obrázek 6. Porovnání distribuce IR teploty konvenčního Peltierova modulu (nahoře) a modulu sestaveného pomocí struktury arcTEC (dole)

Závěr

Termoelektrické moduly jsou dalším nástrojem, který mají k dispozici konstruktéři, kteří musí bojovat s přebytečným teplem generovaným stále složitějšími integrovanými obvody a dalšími elektronickými součástmi, které jsou uzavřeny ve stále menších prostorech. Tváří v tvář uzavřeným prostředím, kde bylo nucené chlazení vzduchem neúčinné, se Peltierův modul stává ideálním řešením. Kromě toho termoelektrické moduly umožňují přesnou regulaci teploty a umožňují chlazení v okolním prostředí.

Zatímco výhody termoelektrických modulů, které fungují jako tepelná čerpadla k odvádění tepla, jsou stále populárnější, snížení průměrné délky života v důsledku tepelné únavy z opakovaných cyklů ohřevu a chlazení představuje problém pro konvenční termoelektrické chladiče. Tento problém nastává kvůli silným, ale nepružným vazbám, které jsou nutné k propojení vnitřních prvků modulu, aby fungoval.

Díky struktuře arcTEC implementované v řadě CUI

vysoce výkonné Peltierovy moduly

, tento problém splnil svoji shodu. Díky Peltierovým modulům CUI se strukturou arcTEC, které poskytují podstatně lepší spolehlivost, více než 30 000 tepelných cyklů a více než 50% zkrácení doby chlazení ve srovnání s konkurenčními zařízeními, jsou pokryty vaše potřeby v oblasti řízení tepla, kde chlazení nuceným vzduchem není možné.

Další informace o zařízeních Peltier najdete na

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

O autorovi

Jeff Smoot je viceprezident pro aplikační inženýrství, CUI Inc.