电子制冷原理

原理

半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷（制热）的效果。

电子制冷又称半导体制冷，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。

优点：

（1）无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠性高。

（2）不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。

（3）半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应用。

（4）作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节器制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。

（5）尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。

半导体制冷虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。

缺点：

（1）在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。

（2）电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用交流电源，就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的

（3）电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用。

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即：

Qab=Iπabπab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数

，单位为[V],

πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即：Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－

πb金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。制冷材料AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同种类型的化合物质间，晶格热导率Kp随着平均原子量A的增长呈下降趋势。RWKeyes通过实验推断出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似与原子量A成正比，因此通常应选取由重元素组成的化合物作为半导体制冷材料。半导体制冷材料的另一个巨大发展是1956年由AFIoffe等提出的固溶体理论，即利用同晶化合物形成类质同晶的固溶体。固溶体中掺入同晶化合物引入的等价置换原子产生的短程畸变，使得声子散射增加，从而降低了晶格导热率，而对载流子迁移率的影响却很小，因此使得优值系数增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶体与Bi2Te3相比较，其热导率降低33%，而迁移率仅稍有增加，因而优值系数将提高50%到一倍。Ag(1-x)Cu(x)Ti

Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超导材料等曾经成为半导体制冷学者的研究对象，并通过实验证明可以成为较好的低温制冷材料。下面将分别介绍这几种热电性能较好的半导体制冷材料。二元固溶体，无论是P型还是N型，晶格热导率均比Bi2Te3有较大降低，但N型材料的优值系数却提高很小，这可能是因为在Bi2Te3中引入Bi2Se3时，随着Bi2Se3摩尔含量的不同呈现出两种不同的导电特性，势必会使两种特性都不会很强，通过合适的掺杂虽可以增强材料的导电特性，提高材料的优值系数，但归根结底还是应该在本题物质上有所突破。

电路不是很懂，仅供参考，不求分。这是一个由基极引出光耦控制的N沟道增强型集成稳压管的场管进行开关控制的电路，本图中用于控制制冷片的功率（你的图上看上去像是耗尽型，查资料确定是增强型）。光耦是东芝公司生产的一种通用光耦，八脚封装，常用与晶体管电压逆变，IGBT栅极驱动，MOS管驱动等，正向电流直流20毫安。场管是通用型100V28A150W，V型槽MOS场效应管。增强型的场管一般呈关闭状态，栅极施加一定电压后源极与漏极间开通允许电流流过。C1C2滤波，一般是一个电解电容一个是瓷片电容，一般取电解电容10uF，瓷片电容取0.01uF。R1限流防止光耦损坏，根据输入电压和光耦最大电流计算安全阻值。电感用于蓄电，在场管断开之后释放存储的电量，二极管用于消除电感断电后的反向电动势避免产生高压击穿场管。电感的电感量和功率要根据半导体制冷片的功耗选择，本图应该是功率电感，厂家的手册上写的是7.5nH电感量。

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