基于半导体制冷的太阳能LED系统散热设计

　　（华北电力大学）刘淑平徐铁军决系统的散热问题是一个新思路。本文在对半导体制冷技术原理分析的基础上，针对太阳能LED照明系统，采用基于微控制器的半导体制冷系统来解决散热问题。，P型与N型半导体之间用金属板连接，另一端通过金属板构成图中电路，当合上电键k时，就会有图中的电流通过PN结，这样就会在半导体与金属板相连的上端形成帕尔帖冷效应，下端形成帕尔帖热效应。

　　刘淑平：副教授硕士阁1半导体制冷基木原理阁-276-360元/年邮局订阅号：82-946 |《现场总线技术应用200例》您的论文得到两院院士关注电子设计2半导体制冷系统的设计bookmark2 3半导体制冷系统的特性分析bookmark3 2.1半导体制冷系统构成3.1半导体制冷系统的优点：技术创新在半导体制冷系统中，制冷片采用TEC1- 12703型温差电制冷组件，根据照明系统的特点，选用具有可视性、坚韧性、耐高温等特性的有机玻璃作为制冷器壁。为了更好地解决太阳能LED照明系统的散热问题，利用控制器来有效的控制半导体制冷系统。

　　2.2半导体制冷控制器的组成与控制原理依据半导体制冷理论，在TEC（半导体制冷系统）两端施加一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使TEC―端发热另一端制冷。我们称发热的一端为“热端”，制冷的一端为“冷端”，把TEC两端的电压极性对调，电流将反向流动，“热端”与“冷端”也将互换。TEC作为半导体制冷应用中的冷热源，其操作具有可逆性，既可以用来制冷，又可以用于制热。针对解决太阳能LED照明系统散热问题的实际情况，我们选择高集成度的高性能单片机ADUC824作为控制核心，通过软件编程完成对半导体制冷器的控制。ADUC824是AD公司推出的8051内核的高性能单片机，内部集成了两路（21位+16位）A/D、2位D/A、LASH、WDT、HP监控、温度传感器、SPI和I2C总线接口等丰富资源集成于一体ADUC824体积小、功率低、具音在线编程调试功能，无须开发装置。采用ADUC824作为半导体制冷控制器的核心，提高了设计的可靠性，同时大大简化了电路的设计。半导体制冷的功率驱动采用H型（全桥式）电路，可以在单电源供电的条件下完成对负载的双向电流驱动，完成TEC制冷的操作，从而实现对目标的控制。基于ADUC824的半导体制冷控制原理框图如所示。

　　由文章前面部分的分析可知：利用直流电通过PN结就可以使热量由高温物体传向低温物体，改变电流的流向就可以很方便的实现制冷和制热的转换。用半导体制冷不用考虑因制冷剂泄漏而导致的环境污染问题，并且整个系统无焊接管路。

　　为半导体制冷系统的模型结构图。它是由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，而N-P之间以一般的导体相连接而形成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，后用两片陶瓷片夹起来。接通直流电源后，电子由负极出发，首先经过P型半导体，在此吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个N-P模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。

　　尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。

　　不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。

　　无运动部件，因而工作时无声，无磨损，寿命长，可靠性高。

　　半导体制冷系统参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应用。

　　作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。

　　基于以上特点可将其应用于解决太阳能LED照明系统的散热问题。

　　3.2半导体制冷系统的工作特性半导体制冷系统由热电堆、冷端换热器、热端换热器及控制器组成，其中热电堆是制冷器件。由于热电堆是由多对电偶组成，且对电流而言，各电偶对是串联的；而对热流，各电偶对是并联的。因此，分析热电堆的性能时，只需分析电偶对的制冷性能即可。一对电偶的制冷量、电压、输出功率和制冷系数分别为：其中Q为电偶对的制冷量（W）；I为工作电流（A）；K为电偶对的导热率（W/K）；T为冷热端温差（K）；R为电偶对的电阻（0）；A为电偶对的温差电势率（V/K）；Tc为电偶对冷端温度（K）。

　　4半导体制冷系统的散热效果早在20世纪50年代就曾经掀起过一股半导体制冷热潮。

　　但由于当时元件性能较差（即制冷系数太低）而未能进入实用化。半导体制冷材料和工艺是决定这一技术兴衰的关键，主要是提高半导体材料的优值系数。

　　优值系数Z是用来衡量半导体材料制冷性能的一个技术指标，它决定制冷元件所能达到的大温差。优值系数越高，制冷性能越好，效率也越高。优值系数主要由半导体材料的温差电动势率a半导体材料的总导热系数k、电阻率r等参数决定，其公式为：随着载流子浓度的增大，温差电动势率a减小，而电阻率r也减小，总导热系数k与载流子浓度，使Z达到大。当载流子浓度接近1019cm3时，半导体材料的优值系数高。

　　半导体材料的优值系数Z是一个随温度而改变的函数，所以选择半导体材料时不仅要求其优值系数要尽可能大，而且还要求在使用温区内优值系数变化不大，且能始终保持较高值，并满足机械强度、耐热冲击、可焊接性及材料来源和造价等方面的要求。尽量采用性价比较高的半导体材料来提高制冷能力。

　　5仿真，为该仿真实验的系统图。

　　先让照明系统工作30分钟，测得内部温度为69.3*C，这时让半导体制冷系统开始工作，经过15分钟的制冷，发现照明系统内部的温度降为39C.实验证明，半导体制冷系统能很好地解决太阳能LED照明系统的散热问题。

　　6结论在过去的几十年里，半导体制冷材料及其器件的研究取得了很大的进展，该技术的商品化一直成为世界共同探讨的课题。

　　要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数（Z）。目前世界上较高的Z值的半导体制冷材料是Bi2Te3合金。近，在半导体制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展，使这一项技术得以商品化。

　　本文作者创新点：当前，太阳能LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响，将半导体制冷技术应用到解决这个问题上是一个的新思想。经过理论论证和多次的实验，这项技术的应用将越来越成熟。