PID控制TEC半導(dǎo)體制冷片工作狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

作者：艾克思

PID控制溫度為當(dāng)前普遍的控制策略，幾乎涵蓋到所有溫度控制中，控制溫度也能達(dá)到非常高的精度。為實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的小型化，系統(tǒng)中往往采用TEC制冷片作為溫度制冷加熱裝置。然而TEC半導(dǎo)體制冷片的工作狀態(tài)較為復(fù)雜，簡(jiǎn)單的TEC驅(qū)動(dòng)電路往往使得TEC工作效率低、TEC熱端發(fā)熱量大、系統(tǒng)耗電量加大、TEC工作壽命縮短等問(wèn)題。下面介紹如何將TEC半導(dǎo)體制冷片工作在狀態(tài)。

一． TEC-12706舉例說(shuō)明

圖1 TEC-12706外形圖

TEC-12706溫差電流為6. 0 A，溫差電壓為15. 4 V，制冷功率為51. 4 W，溫差為67℃，外形尺寸為40. 0 mm ×40. 0 mm ×3. 8 mm。TEC-12706工作的時(shí)候，應(yīng)該在制冷片表面涂上導(dǎo)熱硅脂以減少接觸熱阻，熱電堆端面空隙填充絕熱性能良好的絕熱膠，冷熱空間以隔熱板隔開(kāi)盡量減少冷熱翅片間的傳熱，熱端推薦采取水冷、風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流冷卻，不推薦空氣自然對(duì)流冷卻熱交換形式。

根據(jù)熱力學(xué)制冷原理及半導(dǎo)體制冷基本理論，給出的制冷量、功率消耗、制冷系數(shù)、熱端發(fā)熱量等基本公式。如果

熱端發(fā)熱量為P，單位W；

冷端制冷量為Q，單位W；

制冷片電功率W，單位W；

制冷效率：ε

能夠得到簡(jiǎn)單計(jì)算公式：P=Q+W；ε=Q/W；

上面公式意思是熱端的發(fā)熱量等于冷端吸收的熱量加上TEC制冷中耗費(fèi)的電能量，ε代表的是制冷片工作效率高低，ε的高低決定制冷片質(zhì)量的好壞，ε的取值可能大于1，也可能小于1。TEC半導(dǎo)體制冷片工作狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要仔細(xì)分析ε在不同狀態(tài)下的情況。

圖2 TEC制冷工作特性曲線

TEC制冷片的制冷量Q、消耗電能W、工作效率ε都是電流I與溫差T 的函數(shù)，在某一給定溫差T條件下， Q、W、ε僅是電流I的函數(shù)。從圖中可確定Qmax、εmax、E 及其所對(duì)應(yīng)的電流值Im、Io、IE，如圖2所示。

從圖2可以看出：

a 制冷量Q和TEC工作電流I，按二次拋物線的規(guī)律變化，在電流為Im 時(shí)制冷量達(dá)極大值Qmax；

b TEC電功耗W也是電流I的二次函數(shù)，電功耗隨電流I的增大以平方關(guān)系增大。

c 制冷效率ε為制冷系數(shù)隨電流I的變化規(guī)律，在電流很小時(shí)，ε值急劇增大至εmax值，之后很快地下降直至趨于零。

二． 當(dāng)前幾種驅(qū)動(dòng)TEC工作模式的對(duì)比

當(dāng)前有幾種工作模式，這里分類(lèi)為

a 固定電壓下PWM占空比調(diào)節(jié)；

b 恒流模式下PWM占空比調(diào)節(jié)；

c 自動(dòng)適應(yīng)率調(diào)節(jié)；

a種工作模式一般為一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，然后通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)和TEC串聯(lián)，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，TEC兩端電壓等于電源電壓；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，TEC兩端電壓斷開(kāi)，流過(guò)TEC的電流為0。這種工作模式TEC兩端的電壓波形如圖3所示。

圖3 固定電壓下PWM占空比調(diào)節(jié)電壓波形

這個(gè)模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是也有明顯的缺點(diǎn)，TEC兩端電壓恒定，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，TEC滿(mǎn)負(fù)荷工作；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，TEC停止工作。TEC要么處于Qmax狀態(tài)，要么處于停止?fàn)顟B(tài)，這個(gè)時(shí)候TEC的工作效率較低。這種模式具有：工作效率低、消耗電功率大、熱端散熱要求高、TEC壽命低的缺點(diǎn)，一般應(yīng)用在對(duì)成本控制較高而不考慮性能的場(chǎng)合下。

b種工作模式一般為一個(gè)恒流電源，然后直接和TEC連接，當(dāng)恒流源增大時(shí)，流過(guò)TEC的電流等于額定電流；當(dāng)恒流源減小時(shí)，流過(guò)TEC電流降低，流過(guò)TEC的電流為0。這種工作模式流過(guò)TEC的電流波形如圖4所示。

圖4 恒流模式PWM占空比調(diào)節(jié)電流波形

這個(gè)模式相比較固定電壓模式具有電流沖擊為零的特點(diǎn)，使得TEC壽命長(zhǎng)，但是它也有明顯的缺點(diǎn)，工作效率低、消耗電功率大、熱端散熱要求高。

c種工作模式一般為自適應(yīng)電源，然后直接和TEC連接。當(dāng)TEC冷熱端溫差較大時(shí)，自適應(yīng)電源讓TEC滿(mǎn)負(fù)荷工作，工作在Qmax狀態(tài)；當(dāng)達(dá)到恒溫時(shí)，自適應(yīng)電源調(diào)節(jié)TEC電流，讓TEC工作在率狀態(tài)。這種工作模式TEC兩端的電壓波形如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)模式下TEC電壓波形

在階段1時(shí)，滿(mǎn)負(fù)荷讓TEC工作；在階段2時(shí)，TEC功率下降，處于過(guò)度狀態(tài)；階段3時(shí)，TEC處于率工作模式。自適應(yīng)工作電源具有調(diào)節(jié)溫度速度快、精度高、效率高、TEC壽命高的特點(diǎn)。這種控制一般用于高可靠性、高精度、率的使用場(chǎng)合。

三． PID調(diào)節(jié)過(guò)程中TEC狀態(tài)優(yōu)化說(shuō)明

如圖6，這里推薦使用艾克思科技的TEC-10A，智能PID半導(dǎo)體TEC加熱制冷模式自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)源與TEC的連接示意圖。

圖6 PID半導(dǎo)體TEC加熱制冷驅(qū)動(dòng)源與TEC的連接示意圖

使用這樣的連接圖，對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行溫度控制，該如何設(shè)定TEC的工作過(guò)程？這里要考慮幾點(diǎn)：a 快速到達(dá)設(shè)定溫度；b 控制溫度精度高；c TEC率工作；d TEC長(zhǎng)壽命。

舉例：如果室溫22度，設(shè)定目標(biāo)溫度10度，TEC處于制冷模式。

推薦工作模式：

步：大電流流過(guò)TEC，讓TEC滿(mǎn)負(fù)荷工作，對(duì)應(yīng)圖2中的Qmax，這樣實(shí)現(xiàn)快速的溫度到位。

第二步：達(dá)到恒溫控溫狀態(tài)時(shí)，降低TEC的工作電流，TEC追求率工作，對(duì)應(yīng)圖2中的ε值。

第三步：保證在TEC工作過(guò)程中不存在脈沖電壓、電流過(guò)沖，且熱端熱量及時(shí)帶走，實(shí)現(xiàn)TEC的長(zhǎng)壽命。

第四步：采用PID算法，實(shí)現(xiàn)控制溫度的高精度。

綜上：經(jīng)過(guò)以上步驟，不管什么樣的溫度控制系統(tǒng)，采用TEC恒溫控制，都可以容易實(shí)現(xiàn)快速到達(dá)設(shè)定溫度，控制溫度精度高，TEC率工作，TEC長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。TEC-10A同時(shí)具有以上優(yōu)點(diǎn)，是一款較好的TEC溫度控制自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)源。

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