应用案例｜热电效应测试新方法：等温量热仪用于测定半导体热电器件效能

发布时间： 2023-12-06 09:00:00 来源：仰仪科技

本期预览

本文利用仰仪科技BIC-400A等温量热仪对半导体制冷片（热电冷却器）的Peltier效应进行了研究，测定和对比了不同工作电流或温度下的半导体器件的制冷和制热效率。

前言

热电冷却器(Thermoelectric cooler, TEC) 是一种重要的微型制冷系统组成器件，其代表了利用电力泵送热量的最直接方式，具有可靠性高、封装集成灵活、重量轻、静音和环保等特点，因此热电冷却器在微电子系统、激光二极管、通信、医疗设备和精密仪器等领域得到广泛应用。

在热电制冷系统设计和开发过程中，需要建立有效的方法来确定和优化TEC性能。目前最常用的方法是迭代法^[1]，这种方法通过TEC的几何尺寸和热电特征参数（塞贝克系数、导热系数等）计算其冷却性能，但是上述参数随着TEC的制造工艺和材料的不同而变化，并且作为制造商的专有信息，设计人员大多无法获取，因此用迭代法确定或优化制冷性能无疑是很繁琐的。

图1 TEC结构（左）和实物图（右）

本文利用仰仪科技BIC-400A等温量热仪，基于功率补偿型等温原理测定了TEC在不同输入电流、不同温度工况下的制冷功率和制热功率，进一步计算得到制冷效率和制热效率等信息。相关结果有助于验证或改进TEC器件的冷却性能，优化设计参数及控制策略，确保TEC冷却系统的性能发挥。

实验部分

1.样品准备

实验样品：TEC模块(TEC1-13905,K30,120mm*80mm*5.8mm)。

2.实验条件

实验仪器：仰仪科技BIC-400A等温量热仪；

工作模式：功率补偿等温量热模式；

标准匀热块：6061铝合金，120mm*80mm*10mm*2块；

加热片参数：PI加热膜，120mm*80mm*0.3mm*2张，15.30Ω；

环境温度：恒温25℃。

3.测试过程

Step1：打开等温量热仪盖板，至下向上依次安装匀热块-加热片-导热硅脂垫-半导体制冷片-导热硅脂垫-加热片-匀热块，如图2，保证各部件之间不产生间隙；

Step2：将测温传感器包埋至匀热块内测温点，并将电源线及电压线分别连接至TEC的正负引线；

Step3：关闭仪器盖板，设置实验条件，点击“开始”按钮启动实验，实验工况如表1所示。

图2 等温量热仪结构与制样装样过程

表1 实验设置参数表

实验结果

图3 TEC25℃恒流1A条件下输入&输出功率-时间曲线

图4 TEC功率和效率随工作电流变化曲线

TEC的热电效应主要由Joule热、Fourier热、Thomson热等组成^[2]，空调与制冷行业经常使用COP（coefficient of performance）性能系数来表示TEC的使用效率，该参数为制冷功率（或制热功率）与输入功率之间的比值。

25℃恒流1A条件下TEC输入和输出功率-时间曲线如图4所示，TEC在恒温恒流工况下，输入功率较为稳定，输出功率（制热功率及制冷功率）在短暂的波动后也趋于稳定。

对比TEC 在25℃恒温，1A、1.5A、2.0A、2.5A下的测试结果，TEC功率和效率随工作电流的变化如图4所示。随着工作电流的增大，TEC的制冷功率和制热功率都随之增大，但制冷效率和制热效率都随之减小，其主要原因是随着电流增大，在Thomson热增大的同时，Joule热也随之增大。因此在TEC制冷系统中，一定范围内，可以通过增加工作电流的方式来实现增大制冷功率，但是与此同时要增加热面的散热；但在满足制冷需求的基础上，为提高能源利用率，TEC系统工作的电流不宜过大。另一方面，不同工作电流下TEC的制冷效率都比制热效率低，主要受Joule热效应的影响。

图5 TEC功率和效率随工作温度变化曲线

对比TEC 2A恒流输入条件下，在0℃、25℃、50℃下的测试结果，其功率和效率随工作温度的变化曲线如图5所示。从图5可以看出，随着工作温度的上升，TEC的制冷功率和制热功率都有缓慢增大的趋势，而制冷效率和制热效率均小幅下降。

结论与展望

利用BIC-400A等温量热仪便捷、准确地分析了TEC在不同工作电流或不同工作温度下，制冷/制热功率和效率变化，帮助TEC系统的选型设计。相关结果帮助大众更清晰地了解TEC的工作原理，辅助TEC系统的设计选型和工作条件的优化。并且，用同样的方法有望计算半导体器件的Peltier系数和Seebeck系数等半导体本征参数。

参考文献：

[1] Zhang H Y, Mui Y C, Tarin M. Analysis of thermoelectric cooler performance for high power electronic packages[J]. Applied thermal engineering, 2010, 30(6-7): 561-568.

[2] 陈树权,王剑,杨振等.Peltier系数的稳态法和瞬态法测量[J].物理学报,2023,72(06):343-355.

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