半导体制冷片原理

半导体制冷原理
半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
半导体制冷器特点
半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠， *** 作简便，易于进行冷量调节。但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，故它主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却；有的也用于家用冰箱，但不经济。 半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。
半导体制冷优点
1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

我们知道，传统的风冷散热系统是不可能把显示芯片的温度降到环境温度以下的，因为 当两者的温度几乎相等的时候会很快达到热平衡， 此时便根本无法继续降温， 顶多也只能接 近环境温度。 而半导体制冷却可以打破常规， 能够强行将显示芯片的温度降到比环境温度还 低。而它实现的原理，就是强行打破热平衡，实现温差效果。那么，这种温差效果又是如何 实现的呢？ 首先我们需要明确一些基本概念。 1帕尔贴效应：1834 年，法国科学家帕尔贴发现了热电致冷和致热现象，即金属温差 电逆效应。由两种不同金属组成一对热电偶，当热电偶输入直流电流后，因直流电通入的方 向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为帕尔贴效应。帕尔贴效应早在 20O 年之前发现，但是用到致冷还是近几十年的事。 2N 型半导体：任何物质都是由原子组成，原子是由原子核和电子组成。电子以高速度绕原 子核转动，受到原子核吸引，因为受到一定的限制，所以电子只能在有限的轨道上运转，不 能任意离开， 而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。 离原子核最远轨道上的电子， 经常可以脱离原子核吸引，而在原子之间运动，叫导体。如果电子不能脱离轨道形成自由电 子，故不能参加导电，叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半导体。半导 体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后， 不但能大大加大导电能力， 而且可 以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、 不同用途的半导体。 将一种杂质掺入半导体 后，会放出自由电子，这种半导体称为 N 型半导体。 3P 型半导体：是靠“空穴”来导电。在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反， 即“空穴”由正板流向负极，这是 P 型半导体原理。 4载流子现象：N 型半导体中的自由电子，P 型半导体中的“空穴”，他们都是参与导电，统 称为“载流子”，它是半导体所特有，是由于掺入杂质的结果。 5半导体致冷材料：是对特殊半导体材料，通过掺入的杂质改变其温差电动势率、导电 率和热导率，使其满足致冷需要的材料。温差电致冷组件就是由这种特殊的 N 型和 P 型半 导体制成的。 在明确了这些基本概念后，我们现在就来揭示温差制冷的原理。 1半导体致冷原理： 如图把一只 N 型半导体元件和一只 P 型半导体元件联结成热电偶， 接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处，电流方向是 n→p，温度下降并且吸热，这就是冷端。而下面的一个接头处，电流方向是 p→n，温度上 升并且放热，因此是热端。 2温差电致冷组件致冷原理：如上图把若干对半导体热电偶在电路上串联起来，而在传 热方面则是并联的，这就构成了一个常见的致冷热电堆。按图示接上直流电源后，这个热电 堆的上面是冷端，下面是热端。借助热交换器等手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一 定的温度， 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温， 这就是温差电致冷组件的工作原理。 半导体散热片侧视图 半导体制冷片的应用原理 1半导体制冷的实际应用是如何进行的？ 利用半导体制冷片的制冷原理，半导体制冷片的冷端与显示芯片接触，热端则与散热器 接触。接通电源后，冷热端出现温差，热量不断地通过晶格能的传递，从冷端移送到热端， 只要热端的热量能有效的散发掉， 则冷端就不断的被冷却， 使得制冷片的散热效果出奇的好。 实践证明，冷热端的正常温差大概在 45——60 度之间，其强度非常惊人。实际使用中，可 以把显示芯片的温度一举降到零下 10 度。 2半导体制冷为什么还要配合使用散热器？ 我们看到， 在半导体制冷片的热端， ZENO96 仍然配置了超大的散热片和高效能的 EMI 磁悬浮散热风扇。这是因为，只有半导体制冷片热端的热量被持续源源不断的散发出去，才 能使冷端不断冷却而始终保持良好的制冷效果，显示芯片才能保持在一个相对的恒温状态。 另外，半导体制冷片本身也有一定的正常工作温度，一般来说其极限温度大概在 100 度左 右，如果半导体制冷片没有良好的散热而超出了热度承受极限，就会烧毁损坏。所以，半导 体制冷片的热端一定要加装散热系统，保持良好的散热效果。 关于磁浮风扇，这里有必要作一点说明。磁浮风扇（全称为磁浮马达风扇）的工作原理 是： 轴芯与轴承运作时无摩擦， 轴芯仅与空气摩擦， 彻底解决小空间高积温产品之散热困扰。 藉由磁浮设计，马达运转时，转子受磁轨道吸引，在轴芯与轴承内壁保持一定距离的悬空运 转，不会接触到轴承，故可避免传统马达之轴承被磨损成不规则椭圆而产生噪音的缺点，实 际运行中，此款风扇的噪音小于 26dB，非常安静。同时，没有磨损就不会有不稳定的运转 及噪音，可使产品寿命大幅提升，捷波官方声称此款散热系统的寿命可达 3 万工作小时。 另外磁浮风扇还可以耐高温，最高可耐 90℃高温。 3为什么要配置外接电源接口？ 与一般的风冷散热相比，半导体制冷片的功率要大得多，一般可以达到 36W 到 40W， 也就是说，至少需要 12V 3A 的电源供应。所以，外接电源是必须的。而目前的主流 300W 电源，12V 电源组可以输出 10A 左右电流，如果不是配置非常 BT 的电脑系统，一般分配 给半导体制冷片 12V 3A 的电源供电能力基本足够。当然，如果是 5V 电压标准，则可以提 供高达 20A 的电流输出，分配给半导体制冷片绰绰有余。 4什么是结露现象？如何预防？ 结露现象是半导体制冷的致命杀手。 功率较大的半导体制冷片在湿度较高的环境下如果 冷端温度过低，空气中的水蒸气就会在其表面凝结成为水滴，出现结露现象。如果水滴流到 主板或是显示芯片，后果不堪设想。所以，这是最应该引起重视的问题。 从图中我们看到， ZENO 96 采用设计严密的防冷凝绝缘绝热垫来防止结露现象的发生。 半导体制冷片的周围被两层绝缘绝热垫厚厚地严密封锁起来， 可以最大程度的保障芯片的安 全。 实际使用中我们完全不必担心结露问题的发生， 这一点捷波处理的非常出色， 也很周到。

这个首先是由半导体制冷片本身功率决定的，一但半导体制冷片确定了，个人实践发现主要还是要散热做得足够好，才能达到很好的制冷效果。至于调节冷端温度，在相同散热条件下，这就是你的控制算法的问题了。你可以简单点用PWM控制，通过调节制冷片工作的时间调节问题。复杂一点的可以根据控制通过半导体制冷片的电流来控制功率，从而实现冷端温度的精确控制。引用

介绍以下特点：
1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

---