在某些應用中，工程師需要將組件冷卻到恒定溫度或低于環境溫度的工作溫度。熱電模塊，又稱珀爾帖模塊，可以實現小巧、輕質且節能的熱管理解決方案；但是為了組建最優化的熱電系統，還需考慮適當集成某些器件并改良器件供電。

珀爾帖模塊基礎知識

熱電模塊運用的珀爾帖效應以法國科學家 Jean Peltier 命名。他認為電流通過不同導體組成的回路時，會在導體連接處產生溫差。新型的珀爾帖模塊器件通常包括兩塊外部陶瓷板和內部導電層，兩者由 P-N 半導體芯片分隔。這些 P-N 芯片通過電氣連接串聯在一起，但采用并聯式熱力學排列。

對珀爾帖模塊施加直流電壓后，P 型和 N 型半導體會吸收一個表面的熱量，并將其釋放到另一側，從而使發生吸熱的一側降溫，而接受熱量的一側升溫。

請注意，珀爾帖效應可用于加熱或冷卻物體。盡管本文著重介紹冷卻應用，但加熱應用的設計考慮因素也大同小異，只是施加電壓的極性、電流方向和通過模塊的熱流方向正好相反。

珀爾帖模塊系統設計

圖 1：珀爾帖模塊將熱量從熱源傳遞到散熱器。（圖片來源：CUI, Inc.）

將通電的珀爾帖模塊置于 IC 表面等熱源與散熱器之間，可使 IC 有效冷卻，如圖 1 所示。珀爾帖模塊的低溫側連接熱源，而高溫側連接散熱器。請注意，模塊只是將熱量從低溫側傳遞到高溫側，但不吸收熱量。系統設計可采用恒定速率將熱量提取到散熱器，或者通過控制所施加的電源，確保器件接觸的表面保持恒定溫度。如有需要，甚至可將該溫度設為低于環境溫度。

圖 2 顯示用于冷卻 IC 等組件的系統基本元件。珀爾帖模塊從待冷卻物體中提取熱量，而散熱器不僅要耗散 IC 的熱量，還要耗散珀爾帖模塊中由電流流動所產生的熱量。連接 IC 上溫度傳感器的外部反饋回路可控制珀爾帖模塊的電源，從而保持物體的溫度恒定。

圖 2：帶溫度控制反饋回路的珀爾帖模塊系統。（圖片來源：CUI, Inc.）

選擇珀爾帖模塊時，應考慮應用的溫度要求，包括模塊所需傳遞的熱量、模塊的最高溫度以及高溫側的最高溫度。選擇合適的模塊后，即可確定電源要求。

珀爾帖模塊是由受控電流源供電的電流驅動器件；雖然也可使用電壓源，但最好使用電流源。如果模塊旨在連續提供最大冷卻效果，則可施加恒定電壓（圖 3）。在這種情況下，可以直接在規格書的特性曲線圖中讀取給定冷卻要求的負載電流和輸入電壓。CUI 的文章“選擇并使用高級珀爾帖熱電冷卻模塊”中作了詳細介紹。

圖 3：由電壓源供電的簡單珀爾帖系統。（圖片來源：CUI, Inc.）

另一方面，如果熱負荷和/或環境溫度不斷變化，卻要求模塊使組件保持恒定溫度，則需要接入溫度傳感器和反饋回路，如圖 2 所示。

采用較低的環路帶寬可實現反饋的靈活性。溫度傳感器可采用熱電偶、固態溫度傳感器或紅外傳感器，而饋送至電源的數據用于調節所施加的電壓。如果電源調節范圍不夠寬，則可以使用外部 PWM 電路來實現電壓調節。建議在 PWM 輸出端接入濾波器，使紋波保持在 5% 以下（圖 4），從而確保模塊的性能系數 (COP) 較高，并最大限度地減少對附近元器件的干擾。發燒友公眾號回復資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

圖 4：用于恒溫控制的珀爾帖系統。（圖片來源：CUI, Inc.）

除了從待冷卻組件提取的熱量外，由于電流流動，珀爾帖模塊內部也會產生熱量。如果因自熱現象導致模塊的 COP 低于預期值，那么自熱可能會是一個問題；但如果自熱產生的熱量超過模塊的傳熱能力，那就成為必須解決的問題。

因此，系統設計時必須考慮這兩個熱源，以便選擇合適的模塊和散熱器，確定其工作電壓和電流的要求。只要組件選型得當，珀爾帖模塊系統就可以提供出色的解決方案，讓冷卻的組件實現所需的熱傳遞或目標工作溫度。

總結

珀爾帖模塊可為電子溫度控制提供極為有效的基礎。該模塊小巧、輕質，且以高 COP 工作時效率高，還可使用電流源或電壓源進行控制。除模塊外，只需少量標準元器件即可構建有效的溫度控制解決方案，將器件工作溫度保持在環境溫度或低于環境溫度。了解這些器件的使用方法是解決各種項目問題的寶貴技能。CUI 的珀爾帖模塊具有多種性能等級和尺寸，為設計人員提供多種選擇以用于下一個熱管理系統設計。