Auswahl und Verwendung moderner Peltier-Module zur thermoelektrischen Kühlung

Von Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Inc.

Die thermoelektrische Kühlung hat sich für viele Arten von elektronischen Geräten rasch zu einer praktischen Alternative entwickelt. Moderne Geräte sind kompakt und effizient und – dank einer modernen internen Bauweise – den herkömmlichen Herausforderungen bei der Zuverlässigkeit gewachsen, die in der Vergangenheit eine Einschränkung der Möglichkeiten für diese Geräte zur Folge hatten.

Stabile Temperaturen sind für elektronische Komponenten wie Laserdioden oder Bildsensoren von entscheidender Bedeutung, damit Instrumente wie Hochleistungslaser, Referenzgeräte in Laboreinrichtungen, Spektroskope oder Nachtsichtsysteme ordnungsgemäß funktionieren können. In manchen Fällen kann eine Abkühlung auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur erforderlich sein. Bei einer einfachen passiven Kühlung mit einer Kombination aus Kühlkörper und Zwangskühlung kann es jedoch problematisch werden, diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die Reaktion auf Änderungen bei der thermischen Belastung kann träge und ungenau sein und die Kühlung ist auf ein Temperaturgefälle angewiesen, bei dem die Temperatur der Wärmequelle höher als die Umgebungstemperatur ist.

Als Alternative zu gängigen passiven Kühltechniken bietet die thermoelektrische Kühlung zahlreiche Vorteile. Hierzu zählen eine exakte Temperatursteuerung, eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit, die Möglichkeit des lüfterlosen Betriebs (vorbehaltlich der Leistung des Kühlkörpers), eine Geräuschreduzierung, Platzeinsparungen, ein geringerer Stromverbrauch sowie die Möglichkeit, Komponenten auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur abzukühlen.

Peltier-Elemente: Prinzip und Struktur

Peltier-Elemente bestehen aus Halbleiter-Pellets, die aus n- und p-dotiertem Bismuttellurid hergestellt werden. Die Pellets sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet, um die Wärmeübertragung zwischen den heißen und kalten Keramikstrukturen des Moduls zu maximieren (Abbildung 1).

Exemplarisches Peltier-Element von CUI

Abbildung 1: Aufbau eines exemplarischen Peltier-Elements (Bildquelle: CUI, Inc.)

Die thermoelektrische Kühlung nutzt den Peltier-Effekt. Hierbei wird an den Lötstellen zwischen zwei ungleichen Leitern Wärme entweder aufgenommen oder abgegeben, wenn ein Strom fließt. Ein aus einem Peltier-Element, das zwischen zwei Keramikplatten mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingeklemmt ist, und einer Stromquelle bestehendes thermoelektrisches Modul ist dazu geeignet, Wärme durch die Komponente von einer Keramikplatte zur anderen zu leiten. Darüber hinaus kann die Richtung des Wärmestroms ganz einfach umgekehrt werden, indem die Richtung des Stromflusses umgekehrt wird.

Legt man eine Gleichspannung an, nehmen die positiven und negativen Ladungsträger an einer Substratoberfläche Wärme auf, übertragen sie in das Substrat auf der gegenüberliegenden Seite und geben sie dort ab. Die Oberfläche, an der Energie aufgenommen wird, kühlt sich dadurch ab und die gegenüberliegende Oberfläche, an der die Energie wieder abgegeben wird, erwärmt sich.

Bau einer Kühleinheit

Für eine funktionierende thermoelektrische Kühleinheit wird das Peltier-Modul in ein System integriert, das üblicherweise aus einem Metallblock mit hoher thermischer Leitfähigkeit (z. B. einer Aluminiumlegierung) und einem Rippenkühlkörper besteht (Abbildung 2). Der Metallblock dient dazu, die zu kühlende Komponente – etwa eine Laserdiode oder einen Bildsensor – mit der kalten Seite des Kühlelements zu verbinden. Der Metallblock sollte dabei nicht zu dick sein, um eine konstante thermische Verbindung mit der kalten Platte des Peltier-Elements zu gewährleisten. Eine übermäßige Dicke führt zu unerwünschter thermischer Trägheit. Der Kühlkörper wird auf der gegenüberliegenden Seite – der warmen Platte – des Peltier-Elements angebracht, um die entzogene Wärme in die Umgebung abzuleiten. Auf beiden Oberflächen wird Wärmeleitpaste oder ein anderes thermisches Interface-Material (TIM) in einer dünnen Schicht aufgetragen.

Fertiges Peltier-Element von CUI, Aluminiumblock und Kühlkörper

Abbildung 2: Peltier-Element, Aluminumblock und Kühlkörper bilden zusammen das Kühlsystem (Bildquelle: CUI).

Auswahl von Modul und Steuerung

Ein komplettes thermoelektrisches Kühlsystem besteht aus dem Peltier-Element und der Kühlkörper-Baugruppe, Temperatursensoren zur Überwachung der warmen und kalten Platten sowie einer Steuerungseinheit für den passenden Stromfluss, damit der gewünschte Temperaturunterschied im Modul aufrechterhalten wird.

Steuerung und Peltier-Modul werden so gewählt, dass die der gekühlten Komponente entzogene Wärme sowie die aufgrund des Stromflusses durch den Joule-Effekt erzeugte Wärme abgeleitet werden können, ohne die maximale Wärmekapazität (Qmax) bzw. den maximalen Temperaturunterschied (ΔTmax) laut Angabe im Datenblatt des Peltier-Moduls zu überschreiten. Der maximale Temperaturunterschied und die maximale Stromstärke sollten ebenfalls berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das verwendete Peltier-Modul den gewünschten Temperaturunterschied bei Betrieb mit einem geeigneten Strom aufrechterhalten kann. Dieser Strom sollte üblicherweise kleiner als 70 % des maximalen Nennstroms sein, damit die Erwärmung durch den Joule-Effekt im überschaubaren Rahmen bleibt und das System auf kurzfristige Temperaturanstiege an der kalten Platte reagieren kann, ohne dass es zu einem thermischen Durchgehen kommt.

Berechnung von Strom und Wärmeaufnahme

Sind der gewünschte Temperaturunterschied und die Betriebsspannung der Stromversorgung bekannt, können die thermische Verlustleistung und der Betriebsstrom des Moduls über im Datenblatt enthaltene Funktionsdiagramme berechnet werden.

Beispielhaft können die Funktionsdiagramme aus Abbildung 3 verwendet werden, um für eine Temperatur der warmen Platte (Th) von 50 °C, eine Temperatur der kalten Platte von 10 °C und eine Versorgungsspannung von 12 V die abgeführte Wärmemenge und den zugeführten Strom zu ermitteln.

Berechnung der Parameter über im Datenblatt enthaltene Funktionsdiagramme

Abbildung 3: Berechnung der Parameter über im Datenblatt enthaltene Funktionsdiagramme (Bildquelle: CUI)

So ermitteln Sie Betriebsstrom und Wärmeaufnahme:

  1. Berechnen Sie ΔT:

    ΔT = Th - Tc = 50 °C - 10 °C = 40 °C

  2. Verwenden Sie das Funktionsdiagramm für Th = 50 °C zur Ermittlung der Stromstärke, um bei der anliegenden Spannung ΔT = 40 °C beizubehalten:

    Aus dem Diagramm: I = 3,77 A

  3. Entnehmen Sie dem Funktionsdiagramm die abgeführte Wärmemenge für I = 3,77 A und ΔT = 40 °C:

    Aus dem Diagramm: Qc = 20,75 W

Thermische Ermüdung in Peltier-Modulen

Thermoelektrische Kühler sind anfällig für thermische Ermüdung. Auf herkömmliche Weise hergestellte Einheiten verfügen lediglich über gewöhnliche Lötverbindungen zwischen dem elektrischen Anschluss (Kupfer) und den p- bzw. n-dotierten Halbleiterelementen sowie über Löt- oder Sinterverbindungen zwischen dem Anschluss und dem Keramiksubstrat (Abbildung 4). Diese Klebetechniken sorgen normalerweise zwar für stabile mechanische, thermische und elektrische Verbindungen, sind jedoch nicht flexibel und können daher zerfallen und letztendlich versagen, wenn sie den wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungszyklen ausgesetzt werden, die für den Normalbetrieb von Peltier-Elementen typisch sind.

Löt- und Sinterverbindungen in einem herkömmlichen Peltier-Modul

Abbildung 4: Löt- und Sinterverbindungen in einem herkömmlichen Peltier-Modul (Bildquelle: CUI)

CUI hat die arcTEC™-Struktur für Peltier-Module ersonnen, um gegen die Auswirkungen der thermischen Ermüdung anzukämpfen. Die arcTEC-Struktur ersetzt die herkömmliche Lötverbindung zwischen dem elektrischen Kupferanschluss und dem Keramiksubstrat auf der kalten Seite des Moduls durch ein wärmeleitendes Harz. Dieses Harz sorgt für eine elastische Verbindung innerhalb des Moduls, die dem bei der wiederholten Temperaturwechselbeanspruchung auftretenden Ausdehnen und Zusammenziehen Rechnung trägt. Die Elastizität dieses Harzes mindert Spannungen innerhalb des Moduls und sorgt gleichzeitig für eine bessere thermische und eine ausgezeichnete mechanische Verbindung. Des Weiteren ist im Laufe der Zeit kein merklicher Leistungsabfall zu beobachten.

Darüber hinaus ersetzt ein spezielles SbSn-Lötmetall (Antimon-Zinn) das BiSn-Lötmetall (Bismut-Zinn), das üblicherweise zwischen den p- und n-dotierten Halbleiterelementen und dem Kupferanschluss zum Einsatz kommt (Abbildung 5). Das SbSn-Lötmetall hat einen höheren Schmelzpunkt von 235 °C (der von BiSn liegt bei 138 °C) und bietet daher ein besseres thermisches Ermüdungsverhalten und eine höhere Scherfestigkeit.

Gesteigerte Zuverlässigkeit und verbessertes Wärmeverhalten durch arcTEC-Struktur

Abbildung 5: Gesteigerte Zuverlässigkeit und verbessertes Wärmeverhalten durch arcTEC-Struktur (Bildquelle: CUI)

Verbesserung von Zuverlässigkeit und Wärmeverhalten

Um die Zuverlässigkeit noch weiter zu steigern, bestehen die p- und n-dotierten Elemente von Modulen mit arcTEC-Struktur aus Silizium von erstklassiger Qualität und sind um das bis zu 2,7-fache größer als die in anderen Modulen verwendeten Elemente. Dies gewährleistet eine einheitliche Kühlleistung und Temperaturschwankungen, die das Risiko einer Verkürzung der Lebensdauer erhöhen, werden vermieden. Abbildung 6 veranschaulicht die Auswirkungen auf die Temperaturverteilung, indem Infrarotaufnahmen eines herkömmlichen Peltier-Moduls (oben) und eines Moduls mit arcTEC-Struktur (unten) verglichen werden. Die überlegenen p- und n-dotierten Elemente der Module mit arcTEC-Struktur tragen außerdem dazu bei, die Kühlzeit um über 50 % zu verbessern.

Verbesserte Temperaturverteilung in Modulen mit arcTEC-Struktur

Abbildung 6: Verbesserte Temperaturverteilung in Modulen mit arcTEC-Struktur (unten) im Vergleich zu herkömmlichen Modulen (open) (Bildquelle: CUI)

Die längere Lebensdauer von Modulen mit arcTEC-Struktur lässt sich nachweisen, indem man die Veränderung des Innenwiderstands von Peltier-Modulen analysiert, die einer Temperaturwechselbeanspruchung ausgesetzt sind. Da die Veränderung des Innenwiderstands von Peltier-Modulen eng mit dem Versagen der Verbindung verknüpft ist, liefert eine Trendanalyse einen aussagekräftigen Hinweis auf die Lebensdauer. Die in Abbildung 7 gezeigten Ergebnisse zeigen außerdem die beträchtliche Verlängerung der Lebensdauer durch die arcTEC-Struktur.

Bewertung der Zuverlässigkeit durch Überwachung der Widerstandsveränderung

Abbildung 7: Bewertung der Zuverlässigkeit durch Überwachung der Widerstandsveränderung (Bildquelle: CUI)

Fazit

Obwohl das Prinzip der thermoelektrischen Kühlung bereits seit vielen Generationen bekannt ist, sind Peltier-Module, die zur Integration in kommerzielle Elektronikprodukte geeignet sind, noch ein relativ neues Phänomen. Diese Module bieten zahlreiche Vorteile wie etwa kürzere Reaktionszeiten, verbesserte Temperaturstabilität und mehr Flexibilität zur Regelung der Temperatur kritischer Komponenten wie ICs, Laserdioden oder Sensoren. Da die Entwickler mit den Produkten und Gestaltungstechniken immer besser vertraut werden, wird mit zahlreichen neuen und innovativen Anwendungen für Peltier-Module gerechnet.

Bei der Auswahl der Peltier-Module und der Entwicklung des Steuerschaltkreises ist Sorgfalt geboten, um die Module innerhalb ihrer thermischen Belastungsgrenzen zu betreiben. Die derzeit modernsten Peltier-Module, in denen flexible interne Anschlüsse und hochreine p- und n-dotierte Pellets zum Einsatz kommen, haben weitere Verbesserungen hinsichtlich thermischer Reaktionszeit und Zuverlässigkeit möglich gemacht.

Ressourcen

  1. Vollständiges Portfolio an Peltier-Modulen von CUI
  2. Erfahren Sie mehr zur thermoelektrischen Kühlung über das Produktschulungsmodul zu Peltier-Modulen von CUI
  3. Weitere Informationen zur arcTEC-Struktur von CUI

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Über den Autor

Jeff Smoot, VP für Apps Engineering und Motion Control bei CUI Inc.

Artikel bereitgestellt von Jeff Smoot von CUI Inc.