PID控制TEC半导体制冷片工作状态优化设计
作者：艾克思
PID控制温度为当前最普遍的控制策略，几乎涵盖到所有温度控制中，控制温度也能达到非常高的精度。为实现温度控制系统的小型化，系统中往往采用TEC制冷片作为温度制冷加热装置。然而TEC半导体制冷片的工作状态较为复杂，简单的TEC驱动电路往往使得TEC工作效率低、TEC热端发热量大、系统耗电量加大、TEC工作寿命缩短等问题。下面介绍如何将TEC半导体制冷片工作在最佳状态。
一． TEC-12706举例说明
图1 TEC-12706外形图
TEC-12706最大温差电流为6. 0 A，最大温差电压为15. 4 V，最大制冷功率为51. 4 W，最大温差为67℃，外形尺寸为40. 0 mm ×40. 0 mm ×3. 8 mm。TEC-12706工作的时候，应该在制冷片表面涂上导热硅脂以减少接触热阻，热电堆端面空隙填充绝热性能良好的绝热胶，冷热空间以隔热板隔开尽量减少冷热翅片间的传热，热端推荐采取水冷、风扇强制对流冷却，不推荐空气自然对流冷却热交换形式。
根据热力学制冷原理及半导体制冷基本理论，给出的制冷量、功率消耗、制冷系数、热端发热量等基本公式。如果
热端发热量为P，单位W；
冷端制冷量为Q，单位W；
制冷片电功率W，单位W；
制冷效率：ε
能够得到简单计算公式：P=Q+W；ε=Q/W；
上面公式意思是热端的发热量等于冷端吸收的热量加上TEC制冷中耗费的电能量，ε代表的是制冷片工作效率高低，ε的高低决定制冷片质量的好坏，ε的取值可能大于1，也可能小于1。TEC半导体制冷片工作状态优化设计就是要仔细分析ε在不同状态下的情况。
图2 TEC制冷工作特性曲线
TEC制冷片的制冷量Q、消耗电能W、工作效率ε都是电流I与温差T 的函数，在某一给定温差T条件下， Q、W、ε仅是电流I的函数。从图中可确定Qmax、εmax、E 及其所对应的电流值Im、Io、IE，如图2所示。
从图2可以看出：
a 制冷量Q和TEC工作电流I，按二次抛物线的规律变化，在电流为Im 时制冷量达极大值Qmax；
b TEC电功耗W也是电流I的二次函数，电功耗随电流I的增大以平方关系增大。
c 制冷效率ε为制冷系数随电流I的变化规律，在电流很小时，ε值急剧增大至εmax值，之后很快地下降直至趋于零。
二． 当前几种驱动TEC工作模式的对比
当前有几种工作模式，这里分类为
a 固定电压下PWM占空比调节；
b 恒流模式下PWM占空比调节；
c 自动适应高效率调节；
a种工作模式一般为一个开关电源，然后通过一个开关和TEC串联，当开关导通时，TEC两端电压等于电源电压；当开关断开时，TEC两端电压断开，流过TEC的电流为0。这种工作模式TEC两端的电压波形如图3所示。
图3 固定电压下PWM占空比调节电压波形
这个模式具有结构简单，成本低的优点。但是也有明显的缺点，TEC两端电压恒定，当开关导通时，TEC满负荷工作；当开关断开时，TEC停止工作。TEC要么处于Qmax状态，要么处于停止状态，这个时候TEC的工作效率较低。这种模式具有：工作效率低、消耗电功率大、热端散热要求高、TEC寿命低的缺点，一般应用在对成本控制较高而不考虑性能的场合下。
b种工作模式一般为一个恒流电源，然后直接和TEC连接，当恒流源增大时，流过TEC的电流等于额定电流；当恒流源减小时，流过TEC电流降低，流过TEC的电流为0。这种工作模式流过TEC的电流波形如图4所示。
图4 恒流模式PWM占空比调节电流波形
这个模式相比较固定电压模式具有电流冲击为零的特点，使得TEC寿命长，但是它也有明显的缺点，工作效率低、消耗电功率大、热端散热要求高。
c种工作模式一般为自适应电源，然后直接和TEC连接。当TEC冷热端温差较大时，自适应电源让TEC满负荷工作，工作在Qmax状态；当达到恒温时，自适应电源调节TEC电流，让TEC工作在高效率状态。这种工作模式TEC两端的电压波形如图5所示。
图5 自适应模式下TEC电压波形
在阶段1时，满负荷让TEC工作；在阶段2时，TEC功率下降，处于过度状态；阶段3时，TEC处于高效率工作模式。自适应工作电源具有调节温度速度快、精度高、效率高、TEC寿命高的特点。这种控制一般用于高可靠性、高精度、高效率的使用场合。
三． PID调节过程中TEC状态优化说明
如图6，这里推荐使用艾克思科技的TEC-10A，智能PID半导体TEC加热制冷模式自适应驱动源与TEC的连接示意图。
图6 PID半导体TEC加热制冷驱动源与TEC的连接示意图
使用这样的连接图，对目标体进行温度控制，该如何设定TEC的工作过程？这里要考虑几点：a 快速到达设定温度；b 控制温度精度高；c TEC高效率工作；d TEC长寿命。
举例：如果室温22度，设定目标温度10度，TEC处于制冷模式。
推荐工作模式：
第一步：大电流流过TEC，让TEC满负荷工作，对应图2中的Qmax，这样实现快速的温度到位。
第二步：达到恒温控温状态时，降低TEC的工作电流，TEC追求高效率工作，对应图2中的ε最大值。
第三步：保证在TEC工作过程中不存在脉冲电压、电流过冲，且热端热量及时带走，实现TEC的长寿命。
第四步：采用PID算法，实现控制温度的高精度。
综上：经过以上步骤，不管什么样的温度控制系统，采用TEC恒温控制，都可以容易实现快速到达设定温度，控制温度精度高，TEC高效率工作，TEC长寿命的特点。TEC-10A同时具有以上优点，是一款较好的TEC温度控制自适应驱动源。
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