PID控制TEC半導體制冷片工作狀態(tài)優(yōu)化設計

作者：艾克思

PID控制溫度為當前普遍的控制策略，幾乎涵蓋到所有溫度控制中，控制溫度也能達到非常高的精度。為實現溫度控制系統(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半導體制冷片的工作狀態(tài)較為復雜，簡單的TEC驅動電路往往使得TEC工作效率低、TEC熱端發(fā)熱量大、系統(tǒng)耗電量加大、TEC工作壽命縮短等問題。下面介紹如何將TEC半導體制冷片工作在狀態(tài)。

一． TEC-12706舉例說明

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工作的時候，應該在制冷片表面涂上導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盡量減少冷熱翅片間的傳熱，熱端推薦采取水冷、風扇強制對流冷卻，不推薦空氣自然對流冷卻熱交換形式。

根據熱力學制冷原理及半導體制冷基本理論，給出的制冷量、功率消耗、制冷系數、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

能夠得到簡單計算公式：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量的好壞，ε的取值可能大于1，也可能小于1。TEC半導體制冷片工作狀態(tài)優(yōu)化設計就是要仔細分析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，在某一給定溫差T條件下， Q、W、ε僅是電流I的函數。從圖中可確定Qmax、εmax、E 及其所對應的電流值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 時制冷量達極大值Qmax；

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

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

二． 當前幾種驅動TEC工作模式的對比

當前有幾種工作模式，這里分類為

a 固定電壓下PWM占空比調節(jié)；

b 恒流模式下PWM占空比調節(jié)；

c 自動適應率調節(jié)；

a種工作模式一般為一個開關電源，然后通過一個開關和TEC串聯，當開關導通時，TEC兩端電壓等于電源電壓；當開關斷開時，TEC兩端電壓斷開，流過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占空比調節(jié)電壓波形

這個模式具有結構簡單，成本低的優(yōu)點。但是也有明顯的缺點，TEC兩端電壓恒定，當開關導通時，TEC滿負荷工作；當開關斷開時，TEC停止工作。TEC要么處于Qmax狀態(tài)，要么處于停止狀態(tài)，這個時候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，一般應用在對成本控制較高而不考慮性能的場合下。

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

圖4 恒流模式PWM占空比調節(jié)電流波形

這個模式相比較固定電壓模式具有電流沖擊為零的特點，使得TEC壽命長，但是它也有明顯的缺點，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電源，然后直接和TEC連接。當TEC冷熱端溫差較大時，自適應電源讓TEC滿負荷工作，工作在Qmax狀態(tài)；當達到恒溫時，自適應電源調節(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 自適應模式下TEC電壓波形

在階段1時，滿負荷讓TEC工作；在階段2時，TEC功率下降，處于過度狀態(tài)；階段3時，TEC處于率工作模式。自適應工作電源具有調節(jié)溫度速度快、精度高、效率高、TEC壽命高的特點。這種控制一般用于高可靠性、高精度、率的使用場合。

三． PID調節(jié)過程中TEC狀態(tài)優(yōu)化說明

如圖6，這里推薦使用艾克思科技的TEC-10A，智能PID半導體TEC加熱制冷模式自適應驅動源與TEC的連接示意圖。

圖6 PID半導體TEC加熱制冷驅動源與TEC的連接示意圖

使用這樣的連接圖，對目標體進行溫度控制，該如何設定TEC的工作過程？這里要考慮幾點：a 快速到達設定溫度；b 控制溫度精度高；c TEC率工作；d TEC長壽命。

舉例：如果室溫22度，設定目標溫度10度，TEC處于制冷模式。

推薦工作模式：

步：大電流流過TEC，讓TEC滿負荷工作，對應圖2中的Qmax，這樣實現快速的溫度到位。

第二步：達到恒溫控溫狀態(tài)時，降低TEC的工作電流，TEC追求率工作，對應圖2中的ε值。

第三步：保證在TEC工作過程中不存在脈沖電壓、電流過沖，且熱端熱量及時帶走，實現TEC的長壽命。

第四步：采用PID算法，實現控制溫度的高精度。

綜上：經過以上步驟，不管什么樣的溫度控制系統(tǒng)，采用TEC恒溫控制，都可以容易實現快速到達設定溫度，控制溫度精度高，TEC率工作，TEC長壽命的特點。TEC-10A同時具有以上優(yōu)點，是一款較好的TEC溫度控制自適應驅動源。

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