如何设计一个Peltier模块系统

2019年4月2日 作者:Bruce Rose

如何设计一个Peltier模块系统

Peltier模块也称热电模块,通常在需要精确控制一个物体的温度时,作为一种有效的热管理解决方案的核心。尽管Peltier模块可用于加热或冷却物体,但最常见的用途是冷却物体使其低于室温。原因是它们通常都是作为组件(而非整套系统)供应的,需要进行一些设计才能正确集成和驱动这些模块。Peltier散热系统的设计并不复杂,但是对于热电模块的特征有一个基本的了解是有利于确保设计出成功的应用的。本讨论为简单起见,假定Peltier模块是为相关物体散热。然而值得注意的是,设计用于加热物体时的考量事项是一样的,只是给Peltier设备供电的电压和电流极性反过来了(流过模块的热流方向也发生了反转)。

Peltier模块系统

下图显示了使用Peltier模块控制物体温度时所需的基本子系统。Peltier模块是系统中的关键元件,但其他元件同样必不可少。热电模块会将物体中的热量传递出去以进行散热,此时必须配备散热器才能将通过Peltier模块传递的热量和电源产生的热量同时排散出去。电源提供运行Peltier设备所需的电流,并且连接到热监控器的外部反馈回路可以让系统精确控制被冷却物体的温度。

图示为典型的Peltier模块系统结构
典型的Peltier模块系统结构

Peltier模块的初步选择标准

通常根据应用的散热要求选择Peltier模块。据此,可以确定所需电流和相关驱动电压。最重要的散热条件是通过模块传递的热量,Peltier模块的最高温度以及模块热侧的最高温度。Peltier制造商通常提供一系列热电模块,用于一组特定散热条件并实现一定范围的电源电流和电压工作值。有关选择Peltier设备的更详细讨论,请阅读我们的“如何选择Peltier模块”博文。

为Peltier模块供电

通过电流消耗来表示Peltier模块最方便。通过评估所选择的Peltier设备的特性曲线来确定应用所需的电流水平。影响所需电流的主要参数是模块要传输的热功率、要维持的温度以及工作温度。虽然Peltier模块的特性取决于电流,仍可使用受控电压源为设备供电并提供所需的工作电流。可以通过查看所选热电模块的规格曲线来确定需要施加多大的电压才能提供所需电流(参见示例)。

控制提供给Peltier模块的电压

在一些应用中,目的是运行Peltier模块,使其能够连续实现最大限度的冷却。在这类情况下,会对Peltier设备施加恒定电压,并且可以基于数据表中的表征图确定得到的负载电流和冷却值。

图示为带电压源的Peltier模块系统设计
具有恒定电压的Peltier模块系统设计

然而在其他应用中,实施Peltier模块是为了将物体保持在受控温度范围。这些设计利用热电偶、固态温度传感器或红外传感器等热传感器来监测物体的温度。温度数据通过热控制回路反馈到电源,以调节施加到Peltier模块的电压(或电流)。控制施加到热电模块的电压的一种常用方法是在标准电源的输出上加入脉冲宽度调制(PWM)环节。有必要加入外部PWM环节,因为许多电源不能在宽广的范围内轻松调节输出电压。PWM环节的输出电压也应经过滤波,以使纹波小于5%。较高的纹波电压不会损坏Peltier模块,但会降低其性能系数(COP),并可能导致被冷却物体出现电噪声问题。热控制回路的设计只需较低的环路带宽,因而可以通过多种形式实现。此外,如果要求温度控制系统同时能够冷却和加热物体,则受控电压或电流的极性必须是可逆的。

图示为具有PWM环节的Peltier模块系统设计
具有PWM环节的Peltier模块系统设计

考虑所有热源

供电后,Peltier设备就会在模块上传递热量。除了传递的热量之外,热电模块还会因为施加的电力而在操作期间产生额外热量。Peltier系统的散热解决方案必须能够消散通过Peltier模块传递的热量以及自身产生的热量。在以低COP运行的系统中,因Peltier设备的电力运行产生的热量会明显多于其传递的热量。环境温度和散热器解决方案组合的有效性决定了Peltier模块的最高工作温度和系统性能。

图示为通过Peltier模块的典型热流
通过Peltier模块的典型热流

总览

采用Peltier模块的系统会是控制物体温度的一种极其有效的方法。和依靠传统压缩机和耗散加热器的温度控制配置相比,这些系统是有优势的。它们可以在任何方向上操作并且通常更小、更轻且更节能,同时还能减少电气和声学噪音。标准组件也可用于配置Peltier模块应用所需的几乎所有子系统。这使得Peltier模块成为您下一个项目中热管理设计的一个诱人选择。

有用资源

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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