熱電冷卻器的有限元熱分析

摘要：針對(duì)熱電冷卻器在電子設(shè)備散熱中的應(yīng)用，參照冷卻器的材料屬性和工藝結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中構(gòu)建其3D模型，并根據(jù)冷卻器實(shí)際工作環(huán)境加載參數(shù)，得到熱電冷卻器的穩(wěn)態(tài)電壓云分布和溫度場(chǎng)分布圖;根據(jù)仿真的熱特性結(jié)果，分析熱電冷卻器在電子散熱應(yīng)用中的工作情況，并為電子設(shè)備散熱中熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論參考，不僅可以降低設(shè)計(jì)的成本，還能大大減少研究的時(shí)間周期。

引言

　　隨著電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成電路的發(fā)展和廣泛使用，電子產(chǎn)品趨向于更小的尺寸、更多的元器件和實(shí)現(xiàn)的功能更大化，這意味著電子組件的發(fā)熱密度逐漸增加。電子器件的溫度的升高大大降低了電子產(chǎn)品的壽命和工作效率，阻礙著電子組件技術(shù)的發(fā)展。如何降低電子組件和設(shè)備的工作溫度，成為電力電子中一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。

　　電子產(chǎn)品散熱研究中，為了降低組件和設(shè)備的溫度，人們不僅從電子產(chǎn)品的材料、封裝形式及結(jié)構(gòu)等各方面進(jìn)行優(yōu)化，還有主動(dòng)式和被動(dòng)式的溫度散熱技術(shù)。其中包括被動(dòng)式的散熱翅片、熱管散熱等，主動(dòng)式的散熱翅片加裝風(fēng)扇、水冷系統(tǒng)和熱電冷卻器(Thermoeletric cooler)。熱電冷卻器(如圖1)是較新的散熱技術(shù)，因其體積小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，已逐漸廣泛應(yīng)用于小型集成型的電子組件中。熱電冷卻器也被稱為珀?duì)柼评淦?文中簡(jiǎn)稱TEC)，是一種以不同導(dǎo)體材料連接成電偶并在閉合回路中通以直流電流，在其兩端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生制冷和制熱的功能(如圖2)，可以用作小型熱泵的電子元件。TEC在電子設(shè)備散熱中，材料的冷端連接電子設(shè)備，熱端連接散熱器，對(duì)降低電子設(shè)備溫度和加快熱量的散化發(fā)揮起到很大的作用。而且，某些特定的情況下熱電冷卻器是唯一的選擇。相對(duì)其他制冷設(shè)備，熱電制冷器具有體積小、環(huán)保、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文以單層熱電冷卻器(TEC)為分析對(duì)象，利用有限元軟件建立3D模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真并得出其溫度分布圖，根據(jù)仿真的熱特性結(jié)果，分析熱電冷卻器在電子散熱應(yīng)用中的工作情況，并為電子設(shè)備散熱中熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論參考。

1 有限元軟件中TEC三維模型的創(chuàng)建和運(yùn)算方程

1.1 熱電冷卻器(TEC)熱分析運(yùn)算方程

　　TEC是由半導(dǎo)體P-N結(jié)電路組合成的電子組件，當(dāng)在此閉合回路中通以直流電流(DC)I 時(shí)，在其兩端的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)peltier效應(yīng)，電偶臂結(jié)點(diǎn)處吸收的熱量為：

(1)

　　式中：為P型和N型半導(dǎo)體材料的溫差電動(dòng)熱，又稱塞貝克系數(shù)V/℃;I為直流電流，A;T_c為冷端溫度，K;π=(α_P-α_N)T_c，π為珀?duì)栙N系數(shù)，單位為V，又稱珀?duì)栙N電壓;

　　在TEC的工作過(guò)程中，冷端與熱端之間的凈熱傳量為Q_c^[1]。

　(2)

　　式中，R為TEC的電阻抗值;k為TEC熱傳導(dǎo)系數(shù);ΔT=T_h-T_c，為熱面與冷面之間溫度差。

1.2 TEC熱分析三維模型的建立

　　ANSYS求解的一般流程為建立計(jì)算模型、設(shè)定問(wèn)題參數(shù)、網(wǎng)格劃分、施加載荷、求解問(wèn)題和顯示結(jié)果^[2-3]。本文以單層熱電冷卻器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象根據(jù)TEC實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立其三維模型，再定義N型、P型半導(dǎo)體和銅蓋板的材料屬性(包括材料的電阻系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)和賽貝克系數(shù)，如表1所示)，然后采用自定義單元密度對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，最后施加邊界約束條件。電流載荷使得仿真條件與實(shí)際工作環(huán)境相同，并進(jìn)行仿真得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(圖3為TEC工作中的三維模型)。

　　實(shí)驗(yàn)中，直流電流(DC)I=28.7A，熱端溫度邊界條件為54℃，冷端溫度邊界條件為0℃;圖3中TEMP是TEC中熱量傳導(dǎo)介面，VOLT箭頭部分是加載在熱電冷卻器兩端的電壓，AMPS表示通電本體，CP是熱端與冷端之間的耦合。

2 TEC有限元仿真結(jié)果及分析

2.1 有限元熱分析仿真結(jié)果

　　TEC在電子設(shè)備散熱的工作過(guò)程中，半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了熱量的傳遞，形成溫度分布差異，此外還產(chǎn)生了電壓場(chǎng)的分布差異。ANSYS對(duì)于這類工程問(wèn)題，可以求解并得到TEC工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度場(chǎng)和電壓場(chǎng)的云分布結(jié)果^[4]。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

　　圖4中可見(jiàn)TEC的最高溫度，即熱端溫度為56.4℃;最低溫度，即冷端溫度為6.27℃。圖中出現(xiàn)的熱端到冷端之間的顏色變化是由于電路中產(chǎn)生了珀?duì)栙N效應(yīng)。

　　圖5是TEC工作中的電壓云分布，N型半導(dǎo)體端的電壓為0.39V，而P型半導(dǎo)體材料端的電壓為0.004V。這是由于與直流電源連接的兩極的材料分別為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，在閉合回路中，半導(dǎo)體材料中的多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成電動(dòng)勢(shì)的差異，即塞貝克效應(yīng)。熱電冷卻器的工作原理本質(zhì)上就是電路中所產(chǎn)生的珀?duì)栙N效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)。

　　TEC由于其熱特性，不僅可用于制冷還可用于制熱。在電子設(shè)備散熱應(yīng)用中，TEC的冷端面接觸電子設(shè)備，熱端通常與散熱器結(jié)合，能有效降低電子設(shè)備工作溫度和加快熱量的散發(fā)，在小型電子產(chǎn)品散熱中起到重要的作用。

3 結(jié)論

　　電子設(shè)備散熱^[5]的研究中，熱電冷卻器的技術(shù)是目前較新的技術(shù)，擁有很大的應(yīng)用和發(fā)展空間。文章在有限元分析軟件中對(duì)TEC建立了3D模型，并根據(jù)熱分析法計(jì)算仿真得到穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布和電壓場(chǎng)分布，最后對(duì)仿真結(jié)果圖進(jìn)行分析。目前熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)主要為層型，通過(guò)這次仿真分析可知在實(shí)際應(yīng)用中，我們可結(jié)合電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和完善熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)，使其與電子設(shè)備接觸面和電子散熱器結(jié)合的更好，并且在實(shí)物試驗(yàn)之前可利用ANSYS軟件先進(jìn)行模擬仿真分析，分析其理論優(yōu)化結(jié)構(gòu)及可行性，再進(jìn)行實(shí)物制造，可節(jié)省成本和研究時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]孫薊泉，劉慶國(guó).傳熱學(xué)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1997

　　[2]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

　　[3]李琴，朱敏波，劉海東.電子設(shè)備熱仿真技術(shù)及軟件應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程.2010,08(19)

　　[4] 李少林，鄭偉，瞿誠(chéng)，等.基于ANSYS的熱電冷卻器有限元分析[J].大眾科技，2012,12，14(160)：81~83

　　[5] 張淼，華楚霞.大功率LED路燈散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].光電子技術(shù):研究與試制，2014，34(1):63-67

　　[6]HU Jian-zheng, YANG Lian-qiao, Hwang Woong Joon, et al. Thermal and mechanical analysis of delamination in GaN-based light-emitting diode packages [J]. Journal of Crystal Growth (s0022-0248), 2006,288:157-161

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第43頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。