如何將帕爾帖模組整合到熱管理系統

在特定應用中，工程師需要將元件冷卻至恆定溫度或低於環境溫度的工作溫度。熱電模組又名帕爾帖模組，能達到小巧、輕便和節能的解決方案；但如果想建立最佳化的熱電系統，就需要進行一些設計工作來妥善整合及驅動熱電元件。

帕爾帖模組的基本原理

熱電模組利用的帕爾帖效應，是以法國科學家讓·帕爾帖 (Jean Peltier) 命名。他觀察到，當使電流通過電子耦合的相異導體時，會在兩者間產生溫差。現代的帕爾帖模組，通常包含兩片陶瓷外板和內部導體層，並以 P-N 半導體顆粒隔離。這些 P-N 顆粒以電氣串聯及熱並聯的方式排列。

向帕爾帖模組施加 DC 電壓後，這些正極和負極元件開始從一個表面吸收熱量，然後將其排放至另一側。這會導致吸熱側變冷，受熱側變熱。

請注意，帕爾帖效應可用於加熱或冷卻物體。雖然本文主要探討冷卻應用，但加熱應用的設計考量因素大致相同，只不過施加電壓的極性、電流方向、以及熱流通過模組的方向相反而已。

帕爾帖模組系統設計

圖 1：帕爾帖模組將熱量從熱源傳遞至散熱片。(圖片來源：Same Sky)

如圖 1 所示，將通電的帕爾帖模組，放在熱源 (例如 IC 表面) 和散熱片之間，即可有效冷卻 IC。帕爾帖模組的低溫側連接至熱源，高溫側連接至散熱片。請注意，模組會將熱量從低溫側傳遞至高溫側，但不會吸收熱量。系統可設計成以固定速率將熱量汲取至散熱片，也可透過控制施加的電源，確保元件所接觸的表面維持恆溫。需要時，甚至可將此溫度設為低於環境溫度。

圖 2 顯示系統需要哪些基本元件來冷卻 IC 等元件。帕爾帖模組從要冷卻的物體汲取熱量，散熱片不僅要耗散來自 IC 的熱量，還要耗散帕爾帖模組中因電流流動所產生的熱量。與 IC 溫度感測器相連的外部回授迴路，可控制施加至帕爾帖模組的電壓，確保物體的溫度保持穩定。

圖 2：含溫度控制回授迴路的帕爾帖模組系統。(圖片來源：Same Sky)

帕爾帖模組應依照應用的熱要求進行選擇。這些要求包括整個模組上所要傳遞的熱量、整個模組的最高溫度，以及高溫側的最高溫度。選擇合適的模組後，即可確定對電源供應的要求。

帕爾帖模組是一種電流驅動型元件，雖然可以使用電壓源供電，但以受控電流源供電最為理想。如果該模組需要連續提供最大冷卻效果，則可施加恆定電壓 (圖 3)。在此情況下，可直接從規格書的特性圖表中查閱給定冷卻要求的負載電流和輸入電壓。詳細資訊請參閱 Same Sky 的《選擇及使用先進帕爾帖熱電冷卻模組》。

圖 3：由電壓源供電的簡易帕爾帖系統。(圖片來源：Same Sky)

另一方面，如果該模組需要在熱負載和／或環境溫度變化期間，將元件維持在恆定溫度，則需要使用溫度感測器和回授迴路。此情況如圖 2 所示。

由於迴路頻寬相對較低，因此可以靈活地實作回授。溫度感測器可以是熱電偶，也可以是固態或紅外線感測器，回授至電源的資料將用於調整施加的電壓。如果電源供應器無法提供夠寬的調整範圍，則可使用外部 PWM 電路完成電壓調整。建議過濾 PWM 輸出，讓漣波持續低於 5% 左右 (圖 4)。這不僅能確保模組以較高的效能係數 (COP) 運作，還能最大程度減少對鄰近元件的干擾。

圖 4：用於恆溫控制的帕爾帖系統。(圖片來源：Same Sky)

除了從待冷卻的元件帶走熱量以外，帕爾帖模組也會因電流流動而在內部產生熱量。如果這種自體發熱現象，造成模組以低於期望的 COP 運作，則可能會出現問題，而如果該熱量超過模組的熱傳遞能力，則必然會出現問題。

因此，在設計系統時必須考慮這兩種熱源，才能選擇出合適的模組和散熱片，並確定出工作電壓和電流要求。選擇合適的元件後，帕爾帖模組系統將能成為絕佳的解決方案，讓冷卻的元件達到期望的熱傳遞效果或目標工作溫度。

結論

帕爾帖模組可以為電子溫控奠定堅實的基礎。此模組小巧、輕便，且以高 COP 運作時效率高，還能透過電流源或電壓源加以控制。除了此模組以外，只需少量標準元件即可打造出高效的溫度控制型解決方案，將元件的工作溫度維持在環境溫度或環境溫度以下。瞭解如何使用這些元件是處理各種專案的寶貴能力。Same Sky 的帕爾帖模組具備各種不同的效能等級和尺寸，可為設計人員設計下一個熱管理系統提供多種選擇。