热电冷却技术优化方案

图1-7　集成热电元件的芯片散热器

热电冷却是一种基于“珀尔帖”效应的主动制冷方法［2，9］。典型的热电元件由多对电学串联、热学并联的P型／N型半导体电偶对阵列组合而成。当电流流经电偶对时，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子会朝热电元件的同一端运动，导致能量的定向搬运，空穴／电子聚集的一端放热升温，而离开的一端吸热降温，从而产生制冷效应。热电元件的优点在于无机械运动部件、零噪声、易微型化、寿命长，同时制冷量、冷却速度、冷却面均可通过电流灵活调节，易实现恒温控制，使用方便。图1-7为典型的集成了热电元件的芯片冷却系统示意图。其中，热电元件冷端紧贴发热芯片，而热端通过传统翅片或热管进行散热。

图1-7中热电元件的应用需注意两个基本问题。首先，热电元件的实际制冷量应和芯片的发热功率匹配。由热电理论知热电元件冷面制冷量为［18］：(https://www.xing528.com)

其中，αP、αN分别为P型和N型电偶臂的塞贝克系数，I为电流，R为热电元件电阻，K为热电元件热导率，Th、Tc分别为热端和冷端温度。热电元件的实际制冷量和冷热面温差直接相关，因此必须综合温差和制冷量两方面的需求对热电元件进行设计和选取。第二个问题在于热电元件自身存在输入电功，会增大系统的热负荷。因此，由热电元件额外产生的热量而导致的温升必须小于热电元件带来的温降［如式（1-7）所示］，否则热电元件的引入反而会降低散热系统的散热能力。

其中，Th、Tc分别为热电元件热面和冷面的温度，PTEC为热电元件功耗，Ra为热电元件热面到空气侧的热阻。为使式（1-7）成立，热电元件的热面通常需辅助以较强的散热方式，比如热管或水冷等，以减小空气侧热阻。