随着电子产品高速高密度化，如何将电子组件例如CPU、LD、LED、电阻、功率晶体产生的热能迅速排除使电路维持正常运作，已经成为设计者必需考虑的重要课题，其中又以TE致冷器（Thermal Electric Cooler）成为常用的散热手段之一，事实上TE致冷器是一种相当古老的电子组件，它包含热力与机构两种要素；本文将探讨其基本理论与实际应用案例，同时介绍TE致冷器的正确使用方法与驱动电路。

《图一 TE致冷器的外观（特性值为27℃环境下量测结果）》

TE致冷器的动作原理与基本结构

TE致冷器是法国的J.C. A Peltier氏在1834年发现，因此TE致冷器又称为Peltier Device，如(图一)。它的动作原理如(图二)所示，若对相异金属接合构成的电路施加直流电，其中一方的接合处会吸热，另一方的接合处则会发热，如果改变电流的流动方向，上述的吸热与发热部位也会随着改变。由于左侧的烧瓶（frasco）内的空气被冷却右侧的空气被加热，因此连接两烧瓶的玻璃管内的乙醇会被右侧的烧瓶内的空气挤压朝左方移动，这种现象称为Peltier效应。而比上述更早的1821年，德国T.J Seebeck氏将相异金属接合制成电路，接着将部份接合处加热，结果造成电路内的磁针开始摆动，显示电路内有电流在流动，因此科学界将此现象称为Seebeck效应，量测温度时就是利用Seebeck效应，使铜－铜镍（constantan）热电耦产生电力，达成温度量测的目的，因此相异金属接合获得「Peltier效应」与「Seebeck效应」等可逆现象又被称作「热电转换device」。实际上为获得最大效益，必需根据使用材料与构造作优化设计，因此热电转换device可区分成Peltier Module与Seebeck Module两种。

《图二 Peltier实验结构》

如(图三)所示，P型与N型热电半导体焊接于铜质电极，构成TE致冷器，当直流电流从N型流入P型热电半导体时，可吸收上方接合面产生的热能，并运送至下方接合面，反之电流从P型流入N型热电半导体时，热能则从下方流至上方。根据能量不变定理，吸热量与Peltier消费电力两者的总合等于散热量，因此实际使用必需装设散热片（heat sink）与冷却风扇（cooling fan）等加速散热的组件，因为散热能力不足时TE致冷器的接合面的温度会升高，热能会逆流至TE致冷器的冷却面。

论是Peltier Module或是Seebeck Module，为了能大量吸收热量通常是由复数组的P型与N型热电半导体作电气性并联构成，因此以下有关Peltier Module一律简称为「Peltier组件」或是「TE致冷器」。

《图三 Peltier的基本结构》

TE致冷器的优缺点

常见的冷却手段以冰箱、冷气机的压缩机率（compressor）最具代表性，相较于压缩机，TE致冷器的优缺点如(表一)所示；换句话说由于TE致冷器具备不占空间、无振动、可作精密的温度控制以及结构简单等特征，因此它的应用范与使用数量随着电子产品性能的提升不断扩大。

TE致冷器之优缺点

优点：

˙简单的极性切换就可获得加热效果。

˙可作高精度高反应的控制。

˙不需使用冷媒。

˙TE致冷器是由Peltier与直流电源构成，因此系统上非常轻巧无任何振动。

缺点：

˙冷却效率偏低，每瓦特的吸收热量极低。

˙为获得较大的吸热效果，必需使用大容量电源。

目前TE致冷器的P型与N型热电半导体材料主要是铋（Bismuth）碲（Telluric）合金。基本上原材料溶融后边长晶边冷却制成的结晶材，具有容易获得电气传导率的特征，不过铋碲合金长晶过程会产生结合较弱的部位，因此会有脆裂性（劈开性）与不易获得机械强度等缺点，如果将结晶材击碎、加热加压制成烧结材，可因粒界防止劈开面持续扩大，因此可以获得较佳的机械强度，不过烧结材整体性能上却不如结晶材。

如图三所示，典型的TE致冷器是将铜质电极直接焊接于热电半导体，上下方则分别设置冷却组件与散热器。(图四)的TE致冷器则是在具备绝缘性与导热性的两片陶瓷基板之间，设置复数组的P型与N型热电组件，并焊接铜质电极形成一体状。

《图四 标准型TE致冷器结构》

TE致冷器的热电组件机械强度相当脆弱，因此使用过大的转矩（torque）固定螺丝，或是使用过程遭受重大冲击，都可能导致热电组件破损；此外与冷却部位接触的空气温度若低于零度时，热电组件周围的露水可能会引发migration等trouble，因此使用时必需设置seal防止露水直接附着于热电组件，同时避免冷却部位的空气直接与外部空气相接通。

《图五 散热器一体型TE致冷器的外观》

TE致冷器制作范例

根据以上的考虑制作散热器一体型的TE致冷器，如(图五)，该范例是利用具备螺丝孔的冷却block与散热器将TE致冷器挟住，TE致冷器的外部周围再用树脂case包覆，藉此避免TE致冷器承担过负载，同时还可以防止外部的水气侵入热电组件。(图六)则是无陶瓷基板的TE致冷器应用例外观。标准型TE致冷器动作时，上下面的温差会使陶瓷基板产生热涨冷缩现象，其结果造成热应力直接转嫁至热电组件，频繁的断续动作与温度变化，使得热电组件与焊接处发生机械疲劳进而破损，因此图六的无陶瓷基板的TE致冷器使用导热粘着剂，使Peltier密贴于冷却block，散热器则用散热膏作导热性接触采用未固定设计，如此便可大幅减缓动作时热电组件承受的热应力，间接提高断续动作时的耐久性与可靠度。

《图六 无陶瓷基板的TE致冷器应用例》

如何选择TE致冷器

(表二)是日本AISHEN精机TE致冷器的部份规格摘要，该规格表分别记载有关最大电流（Imax）、最大电压（Vmax）、最大吸热量（QCmax）与最大温差（ΔTmax）等数据。表中的吸热量是指可吸收物体的热量，亦即从冷却端移至散热端的热量；最大吸热量是指冷却端与散热端之间的温差为0时，可以吸收热量的最大值。温差是指冷却端与散热端之间产生的温度差距；最大温差是指当吸热量为0时，冷却端与散热端之间发生的温度差最大值。吸热量QC可利用下式求得：

@内文

:吸热量。

:冷却端的绝对温度。

:的电流值。

:Peltier的冷却端与散热端之间的温差。

:模阻的Zebek起电力。

:模阻的阻抗值。

:模阻的热传导率。

由于ΔT是I的二次式，若以I作横轴，ΔT作纵轴，就可描绘成如(图七)所示，上方具有二次凸状之曲线图，该ΔT变成最大时的电流值称为最大电流，此时的电压称为最大电压。或许有人会认为所谓的最大电压是可施加电压的最大值，不过对TE致冷器而言并不适用。

以上四个参数（parameter）是吸热量为0时，或是温差为0时亦即理想状态的数据，实际使用时会有从周围流入热量吸收因素与散热端温升等问题，因此TE致冷器的特性表只能当作参考数据。

《图七 Peltier的驱动电流、电压与温差的关系》

选择TE致冷器的步骤

假设在40℃的环境欲将10W的发热体冷却至30℃以下为例。首先从产品型录的特性表中挑选最大吸热量QCmax的TE致冷器，由于使用上会有温差现象，因此实际的可吸收的热量是最大吸热量QCmax的30～50％左右，依此从(表一)选择A-08E192-QDO与A-10D160-QAD两种TE致冷器，接着从型录记载的特性图确认电力，(图八)与(图九)分别是择A-08E192-QDO与A-10D160-QAD两TE致冷器的特性图。虽然散热端的温度TH取决于散热器（heat sink）的散热能力，若以为例，根据右侧的坐标图就可藉由Y轴吸热量QC＝10W，与X轴温差ΔT为30℃时求出两者的交点，之后再用左侧的坐标图X轴30℃的温差ΔT与上述右侧坐标求得1.6A的电流值，利用两者的交点求取电压值

由此可知，冷却端的温度TC＝30℃，散热端的温度TC＝30℃（ΔT＝30℃），吸热量QC＝10W时，必需对TE致冷器施加的电压与电流分别如下：

@内文

? A-08E192-QDO：

? A-10D160-QDO：

《图八 A-08E192-QDO TE致冷器的温差与吸热量的特性图》

Qin是TE致冷器的消费电力，以上两TE致冷器根据计算结果可知A-10D160-QDO的消费电力较低，该TE致冷器的散热量可利用下式求得：

《图九 A-10D160-QDO TE致冷器的温差与吸热量的特性图》

也就是说散热器必需具备的散热特性如下所示：

有关散热器（heat sink）的设计技术，碍于篇幅限制无法列入本文讨论范围。一般而言铝挤型散热器若搭配冷却风扇（cooling fan），通常都可以将TE致冷器的散热量完全排除。此处假设散热器的散热能力不足，亦即实际温度比设计值TH更高，必需重新变更设定温度的case，由于实际电流值若超过Imax的60～70％，热电组件部的电流密度会增加，使用寿命则大幅降低，因此A-10D160-QDO TE致冷器根据下式计算结果，证实实际电流值符合上述60～70％的限制。

《图十 TE致冷器与散热器、冷却组件的固定方法》

如何发挥TE致冷器的性能

缩小温差

公式一的第一项是施加电流后所获得的冷却效果，第二项则是电流产生的焦耳热，它是冷却面与散热面各分配1/2的热量。上述各项符号分别是第一项为正，第二项与第三项为负，由此可知只要加大第一项，缩小第二项与第三项，就可获得较大的吸热量，由于αe、Re、Ke取决于TE致冷器的种类，因此若将αe、Re、Ke视为定数时，就可获得增加吸热量的方法，具体内容如下：

《图十一 TE致冷器前后左右水平方向滑动排除空气》

实际上冷却端具有一定的目标温度，因此不易变更第一项的条件，相较之下改变第二项的条件比较有效，具体方法是使用高散热能力的散热器，藉此降低ΔT进而获得高效率的驱动效益。

电流流入阻抗值为Re的TE致冷器产生的电压值可用下式表示：

可知根据奥姆法则求得的第一项含有αe×ΔT（第二项）成份；第二项则是因通电后热电组件两接合面产生的温差ΔT所造成的Seebeck效应，由于它属于偏压（bias）与逆向起电力，因此变成所谓的损耗电力。根据第二项可知电流I流入阻抗值为R的阻抗体时的电压V并无法统一性定义，也就是说TE致冷器的消费电流与一般电阻等电子组件不同，无法从流动的电流与阻抗值求出电压，此外温差ΔT也会影响TE致冷器的消费电流，因此施加电流I的同时降低电压，亦即降低TE致冷器的消费电力与降低温差ΔT一样都很重要。

由于TE致冷器同时具备吸热与消费电力两特性，因此降低消费电力相对的散热器就可变小。如上所述TE致冷器的动作特性不适用奥姆法则，所以估算驱动电力时必需将逆向起电力也 一并列入考虑。

TE致冷器与冷却组件、散热组件之间不可有间隙

常用的冷却组件与散热组件固定于TE致冷器方法分别有：

如(图十)所示冷却组件与散热组件是用螺丝固定，两者之间挟持TE致冷器，这种固定方法必需消除接合面的间隙，因为空气的热传导率非常的低，如果导热面有空气间隙，热阻抗会大幅上升，因此冷却组件与散热组件的平面度不可超过0.02mm，此外与TE致冷器接触的表面必需涂抹散热膏，该散热膏与功率晶体常用的散热膏为同等级。

将TE致冷器置于grease涂布面的场合，由于grease会夹带部份空气，因此TE致冷器必需依照(图十一)所示前后左右水平方向滑动藉此排除空气，利用焊接或是粘着剂固定的场合也是比照办理。

抑制螺丝的回流热量

固定冷却组件与散热组件的螺丝会导热，尤其是金属螺丝的场合热量会从散热端回流至冷却端使得冷却效率大幅降低，如(图十二)所示必需改用塑料螺丝，或是使用塑料垫片降低金属螺丝的回流热量。

《图十二 抑制螺丝的回流热量具体对策》

严格管制螺丝固定转矩

如上所述热电组件非常脆弱，因此利用螺丝固定冷却组件与散热组件，等于是间接对TE致冷器施加负荷，为防止过大得螺丝固定转矩造成热电组件破裂，所以必需严格管制螺丝锁固转矩（torque）。一般利用M4 螺丝固定铝质组件时，螺丝固定转矩每1kfg‧cm大约是50N，利用M4大约是100N；对模块整体均匀施加负载的场合，30mm大小TE致冷器的耐负载量为1200N，40mm大小则为1800N，该值为未通电时上下基板的温差为0，垂直方向压缩时的机械破坏负载极限，实际上上下基板的温差会反复施加水平方向的力量，而且固定组件并非真平面所以负载不可能完全均匀，因此固定转矩通常会乘上三倍的安全系数。例如用两支M4金属螺丝固定30mm大小TE致冷器时，固定转矩T可利用下式求得：

:固定转矩。

:TE致冷器的容许负荷值。

S: 安全系数

:施加于螺丝的固定转矩单位负载

:螺丝的数量

也就是说螺丝的固定转矩不可超过。必需注意的是固定螺丝必需分段增加每支螺丝的固定转矩，否则固定会倾斜对TE致冷器形成偏向负载，如(图十三)，严重时甚至会造成TE致冷器破裂。

《图十三 TE致冷器的螺丝固定方式》

防止水滴渗入

陶瓷基板之间若硅胶等seal密封，虽然可以防止水份渗入热电组件内，不过硅胶具有水蒸气穿透特性无法防止水滴渗入，因此必需改用橡胶板或是Urethane等弹性气密性材料，再利用螺丝固定特性压缩上述材料，藉此遮断TE致冷器周围与外部的空气，达到防止水滴渗入的目的，如(图十四)。

《图十四 TE致冷器的防水对策》

试作小型温度调整电路

设计规格

(表二)是温度调整电路的设计规格，温度控制精度为±2℃，本电路具备加热与冷却两种控制模式；(图十五)是控制电路板的外观。控制与显示使用单芯片微控器PIC16C73B（以下简称为PCI），电源ON之后只需旋转温度设定旋钮就可设定温度，接着按START与STOP按键即可。

《图十五 控制电路板的外观》

基本动作

(图十六)是温度调整电路的方块图，首先利用温度设定用可变电阻将设定电压输入制PIC的A-D基板，7 Segment LED就会显示设置的温度值，接着将Thermistor固定在TE致冷器量测致冷器的温度，在此同时内建于PIC内部的A-D Converter读取Thermistor传出的信号level，再将TE致冷器的实际动作温度显示于7 Segment LED。由于PIC已事先内建控制程序，因此设定温度与实际动作温度进行比较后，就可决定冷却模式或是加热模式，此使PIC会产生PWM信号，并发布TE致冷器的补正量指令，而电压的极性则用继电器（relay）切换。

《图十六 温度调整电路的方块图》

温度控制单元

基本上它是用PIC内部的PWM Timer产生PWM信号，藉此信号作Power-MOSFET Tr2 的switching控制，接着用choke coil L1与电容C2，藉由极性切换继电器RY2，提供平稳的直流电压给TE致冷器。PIC责根据设定温度与实际动作温度进行PID演算，并将操作量输入至PWM Timer，PID控制程序包含显示程序在内的容量大约是2Kb左右。虽然温度控制器的精度是±2℃，不过经过控制程序的补正，就可大幅提高控制精度。

激烈的极性切换作温度调整，或是激烈的冷却与加热反转，会因热stress造成对可靠性造成不良影响，如果设计上有类似上述述操作需求时，就必需在冷却与加热切换过程设置off缓冲时间，藉此降低单位时间的温度变化量。此外为提高低温时的温度控制精度，因此使用两个OP增幅器将Thermistor的输出信号增幅。

绝缘电缘单元

本温度调整器主要诉求是轻巧小型低价，因此采用PIC进行能量控制方式，间接达到温度控制的目标，也就是说本温度调整器的电缘单元不需管理（regulation），不过一般商用电源变压器（transformer）的体积非常庞大，有鉴于此本温度调整器采用12V、6A RCC type绝缘型电源供应器（S.P.S: Switching Power Supply），如此便可符合上述要求，同时还可以防止电源供应器故障时，不会对TE致冷器施加过电压。

检讨电源时最重要的是尽量降低电流与电压波动（ripple）含有率，因为波动会供给与目标极性相异方向的电压，造成冷却效率降低并产生焦耳热量，因此本温度调整器利用15kHz高频，使power-MOSFET switching，藉此使与的波动微量衰减。一般电源电路通常会使变压器T1的二次电压一定的方式，并作feed back控制，不过本温度调整器基于成本考虑并未作如此设计，而是将变压器设计成当power-MOSFET Tr1的驱动信号duty为100％时，就会提供6A、12V给TE致冷器的结构，如此一来duty一旦降至50％时，二次电压就会上升，因此流入TE致冷器的电力并不会发生减半等问题。值得一提的是，PIC内部无乘法、除法指令，因此不易执行高速复杂的演算，所以在程序上制作对照用data table，亦即程序内设有设定温度与实际温度的温差与操作量table，利用大约每隔2秒的控制时间间隔，与data table进行比对，接着根据该操作量与上述2秒内的温度变化，决定驱动power-MOSFET的PWM信号duty。此外基于输出范围与取得性等考虑，变压器的core使用E140。

(表三)是变压器的绕线规格，绕线是采用三明治结构，间隙为0.5mm因此可获得80％左右极高的效率。R1是抑制无负载时与定格时电压差的电阻，它的输入电源电压范围为110±15V若超过该范围必需追加设置保护电路，防止TE致冷器的供给电压大于12V以上。

结语

由于电子产品高速高密度化的结果，如何有效的将电子组件产生的热能排除，使电子组件维持正常的运作，成为工程人员必需面对的新课题，而具备轻巧操作容易等特征的TE致冷器应用再度受到重视，虽然TE致冷器的功率还无法cover CPU的热能，不过随着技术的进化，相信未来TE致冷器势必成为冷却组件市场的主流。