Het kiezen en toepassen van geavanceerde Peltier-modules voor thermo-elektrische koeling

Thermo-elektrische koeling heeft zich razendsnel ontwikkeld tot een toepasbare oplossing voor veel soorten elektronica. De apparaten die vandaag de dag op de markt zijn, zijn compact en efficiënt en hebben – dankzij een geavanceerde interne constructie – de traditionele problemen ten aanzien van de betrouwbaarheid, die de toepassingsmogelijkheden van dergelijke apparaten in het verleden hebben beperkt, overwonnen.

Elektronische componenten als laserdiodes of beeldsensors op een stabiele temperatuur houden is van essentieel belang om ervoor te zorgen dat instrumenten als high-power lasers, laboratoriumreferenties, spectroscopen of nachtzichtsystemen correct kunnen functioneren. In sommige gevallen kan koeling tot onder de omgevingstemperatuur noodzakelijk zijn. Eenvoudige passieve koeling, die een combinatie van een koellichaam en geforceerde lucht gebruikt, kan er moeite mee hebben om aan deze vereisten te voldoen; de respons op veranderingen in de thermische belasting kan traag en onnauwkeurig zijn en de koeling is afhankelijk van een thermische gradiënt waarbij de temperatuur van de warmtebron hoger is dan omgevingstemperatuur.

Als alternatief voor de doorgaans gebruikte passieve koeltechnieken, kan thermo-elektrische koeling talrijke voordelen bieden. Dit zijn onder meer een nauwkeurige temperatuurregeling en snellere respons, de mogelijkheid voor werking zonder ventilator (afhankelijk van de prestaties van het koellichaam), lager geluidsniveau, ruimtebesparing, lager energieverbruik en de mogelijkheid om componenten af te koelen tot temperaturen onder de omgevingstemperatuur.

Peltier-elementen: principes en structuur

De interne structuur van het Peltier-element bevat halfgeleiderpellets vervaardigd uit N-type en P-type Bismut Telluride-materialen. De pellet-array is elektrisch in serie geschakeld, maar thermisch parallel geordend, om de thermische overdracht tussen de warme en koude keramische oppervlakken van de module te maximaliseren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: interne structuur van een algemeen Peltier-element (Bron afbeelding: Same Sky)

Thermo-elektrische koeling maakt gebruik van het Peltier-effect, dat wordt waargenomen als warmte wordt geabsorbeerd of uitgestraald tussen de knooppunten van twee ongelijke geleiders wanneer een stroom wordt doorgevoerd. Een thermo-elektrische module die een Peltier-element bevat, 'gesandwiched' tussen twee keramische platen met hoge thermische geleidbaarheid, met een stroombron, is daadwerkelijk in staat om warmte door het apparaat heen van de ene keramische plaat naar de andere te pompen. Bovendien kan de richting van de warmtestroom eenvoudig worden veranderd door de richting van de elektrische stroom om te draaien.

Het toepassen van een DC-spanning zorgt ervoor dat de positieve en negatieve ladingsdragers warmte van het ene substraatoppervlak absorberen en deze overdragen en vrijgeven aan het substraat aan de andere zijde. Daarom wordt het oppervlak, waar energie wordt geabsorbeerd koud en het tegenoverliggende oppervlak, waar de energie wordt vrijgegeven, heet.

Een koelunit bouwen

Om een praktische thermo-elektrische koelunit te creëren, wordt de Peltier-module ingebouwd in een systeem dat gewoonlijk een blok bevat van metaal met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminiumlegering, en een koellichaam met ribben (Afbeelding 2). Het metalen blok wordt gebruikt om het te koelen apparaat – zoals de laserdiode of beeldsensor – aan de koude zijde van het koelelement te bevestigen. De dikte van het blok wordt zodanig gekozen dat de vlakheid behouden blijft en zo voor een consistente thermische verbinding met de koude plaat van het Peltier-element zorgt. Hierbij dient te worden opgemerkt dat overmatige dikte ongewenste thermische inertie zal introduceren. Het koellichaam is bevestigd aan de tegenoverliggende zijde, of hete plaat, van het Peltier-element, om de onttrokken warmte af te voeren naar de omgeving. Op ieder oppervlak wordt een dunne laag thermisch vet, of ander thermisch interfacemateriaal (TIM) aangebracht.

Afbeelding 2: het Peltier-element, aluminium blok en koellichaam worden geassembleerd om het koelsysteem te maken (Bron afbeelding: Same Sky.)

Het kiezen van module en controller

Een compleet thermo-elektrische koelsysteem omvat de groep met Peltier-element en koellichaam, temperatuursensors om de hete en koude platen te bewaken en een controllerunit om te verzekeren dat de juiste stroom wordt geleverd om het gewenste temperatuurverschil over de module te handhaven.

De controller en Peltier-module worden zodanig gekozen dat de warmte van de gekoelde component in combinatie met het joule-verwarmingseffect van de geleverde stroom kunnen worden afgevoerd zonder overschrijding van de maximale thermische capaciteit (Q_max) of het maximale temperatuurverschil (ΔT_max) die in het gegevensblad van de Peltier-module zijn vermeld. Ook dient rekening te worden gehouden met het maximale temperatuurverschil en de maximale stroom, om te verzekeren dat de gekozen Peltier-module het gewenste temperatuurverschil kan handhaven wanneer het op een passende stroom werkt. Dit behoort normaal gesproken minder dan 70% van de maximale nominale stroom zijn, om te verzekeren dat de joule-verwarming binnen beheersbare limieten blijft en het systeem kan reageren op kortstondige verhogingen in de temperatuur van de koude plaat, zonder risico voor thermische afwijkingen.

Het berekenen van stroom en thermische absorptie

Als het gewenste temperatuurverschil en de bedrijfsspanning van de voeding bekend zijn, kunnen de thermische dissipatie en de bedrijfsstroom van de module worden berekend met behulp van functiediagrammen zoals in het gegevensblad gepresenteerd worden.

Als voorbeeld kunnen de functiediagrammen van Afbeelding 3 worden gebruikt om de verpompte warmte en geleverde stroom te vinden bij een temperatuur van de hete plaat (Th) van 50°C, temperatuur van de koude plaat van 10°C en geleverde spanning van 12 V.

Afbeelding 3: berekening van opstelling met behulp van functiediagrammen van het gegevensblad (Bron afbeelding: Same Sky.)

Om de bedrijfsstroom en thermische absorptie te bepalen:

1. Vind ΔT:

   ΔT = T_h – T_c – 50°C – 10°C = 40°C

2. Gebruik het functiediagram voor T_h = 50°C om de stroom te vinden om ΔT = 40°C te handhaven, bij de geleverde spanning:

   In het diagram, I = 3,77 A

3. Vind de verpompte warmte uit het functiediagram, bij I = 3,77 A en ΔT = 40°C:

   In het diagram, Q_c = 20,75 W

Thermische vermoeiing in Peltier-modules

Thermo-elektrische koelers kunnen gevoelig zijn voor thermische vermoeiing. Op conventionele wijze gefabriceerde eenheden bevatten gewone soldeerbindingen tussen de elektrische verbinding (koper) en de P/N-halfgeleiderelementen, alsmede soldeer- of sinterverbindingen tussen de verbinding en het keramische substraat (Afbeelding 4). Alhoewel deze verbindingstechnieken normaal gesproken sterke mechanische, thermische en elektrische verbindingen creëren, zijn ze niet buigzaam en en kunnen ze in kwaliteit achteruitgaan en uiteindelijk falen wanneer ze worden onderworpen aan de herhaaldelijke verwarmings- en koelcycli die bij een normale werking van de Peltier-module horen.

Afbeelding 4: soldeer- en sinterverbindingen van een conventionele Peltier-module (Bron afbeelding: Same Sky.)

Om de effecten van thermische vermoeiing te bestrijden, bedacht Same Sky de arcTEC™-structuur voor Peltier-modules. De arcTEC-structuur vervangt de conventionele soldeerverbinding tussen de koperen elektrische tussenverbinding en het keramische substraat aan de koude zijde van de module door een thermisch geleidende hars. Deze hars zorgt voor een elastische verbinding in de module die de uitzetting en samentrekking, die tijdens herhaalde thermische cycli optreden, toelaat. De elasticiteit van deze hars reduceert spanningen binnen de module terwijl een betere thermische verbinding en een superieure mechanische binding worden bereikt, en vertoont geen significante afname van de prestaties in de loop van de tijd.

Bovendien vervangt een speciaal SbSn (antimoon-tin)-soldeer het BiSn (bismut-tin)-soldeer dat gewoonlijk wordt gebruikt tussen de P/N halfgeleiderelementen en de koperen tussenverbinding (Afbeelding 5). SbSn-soldeer heeft een hoger smeltpunt, 235°C, ten opzichte van de 138°C voor BiSn, en biedt daardoor superieure prestaties ten aanzien van thermische vermoeiing en een betere afschuifsterkte.

Afbeelding 5: verbeteringen van arcTEC-structuur verhogen de betrouwbaarheid en thermische prestaties (Bron afbeelding: Same Sky.)

De betrouwbaarheid en thermische prestaties verbeteren

Om de betrouwbaarheid nog verder te verhogen, zijn de P/N elementen van modules met arcTEC-structuur vervaardigd van silicium van topkwaliteit en tot 2,7 maal groter dan de door andere modules gebruikte elementen. Dit zorgt voor een meer uniforme koelprestatie en vermijdt de schommelende temperaturen die de levensduur van het product kunnen verkorten. Afbeelding 6 illustreert het effect op de temperatuurverdeling door infraroodbeelden van een conventionele Peltier-module (boven) en een module met arcTEC-structuur (onder) te vergelijken. De superieure P/N elementen van modules met arcTEC-structuur zorgen ook voor een verbetering van de koeltijd van meer dan 50%.

Afbeelding 6: verbeterde temperatuurverdeling in modules met arcTEC-structuur (onder) vergeleken met conventionele modules (boven) (Bron afbeelding: Same Sky.)

De verbeterde verwachte levensduur van modules met arcTEC-structuur kan worden aangetoond aan de hand van een analyse van de verandering in interne weerstand van Peltier-modules die aan thermische cycli zijn blootgesteld. Aangezien de weerstandsverandering in Peltier-modules nauw samenhangt met falende verbindingen, biedt het analyseren van de trend een nuttige indicatie van de levensduur. De in Afbeelding 7 getoonde resultaten demonstreren de significante verbetering in verwachte levensduur die mogelijk worden gemaakt door de arcTEC-structuur.

Afbeelding 7: bepaling van betrouwbaarheid door bewaking van de weerstandsverandering (Bron afbeelding: Same Sky.)

Conclusie

Hoewel de fysica van thermo-elektrische koeling al generaties lang wordt begrepen, is de introductie van geschikte Peltier-modules, die klaar zijn om te worden opgenomen in het ontwerp van commerciële elektronische producten, een relatief nieuw fenomeen. Dit brengt talrijke voordelen met zich mee zoals snellere reactietijd, verbeterde temperatuurstabiliteit en grotere flexibiliteit voor het regelen van de temperatuur van kritieke apparatuur zoals IC's, laserdiodes of sensors. Het is te verwachten dat er, naarmate ontwerpers vertrouwd raken met de producten en ontwerptechnieken, veel nieuwe en innovatieve toepassingen voor Peltier-modules hun opwachting zullen maken.

Er dient met zorg te werk worden gegaan bij het selecteren van Peltier-modules en het ontwerpen van stuurschakelingen, om te zorgen dat de modules goed binnen hun thermische grenzen te werken. De huidige, uiterst geavanceerde Peltier-modules, ontworpen met flexibele interne verbindingen en zeer zuivere P/N-pellets, hebben de aanzet gegeven tot verdere verbeteringen in thermische respons en betrouwbaarheid.

Bronnen

1. Bekijk de volledige portfolio van Peltier-modules van Same Sky
2. Kom meer te weten over thermo-elektrische koeling met de Peltier-module PTM van Same Sky
3. Lees meer over de arcTEC-structuur van Same Sky