隨著電子產品高速高密度化，如何將電子元件例如CPU、LD、LED、電阻、功率晶體產生的熱能迅速排除使電路維持正常運作，已經成為設計者必需考慮的重要課題，其中又以TE致冷器（Thermal Electric Cooler）成為常用的散熱手段之一，事實上TE致冷器是一種相當古老的電子元件，它包含熱力與機構兩種要素；本文將探討其基本理論與實際應用案例，同時介紹TE致冷器的正確使用方法與驅動電路。

《圖一　TE致冷器的外觀（特性值為27℃環境下量測結果）》

TE致冷器的動作原理與基本結構

TE致冷器是法國的J.C. A Peltier氏在1834年發現，因此TE致冷器又稱為Peltier Device，如(圖一)。它的動作原理如(圖二)所示，若對相異金屬接合構成的電路施加直流電，其中一方的接合處會吸熱，另一方的接合處則會發熱，如果改變電流的流動方向，上述的吸熱與發熱部位也會隨著改變。由於左側的燒瓶（frasco）內的空氣被冷卻右側的空氣被加熱，因此連接兩燒瓶的玻璃管內的乙醇會被右側的燒瓶內的空氣擠壓朝左方移動，這種現象稱為Peltier效應。而比上述更早的1821年，德國T.J Seebeck氏將相異金屬接合製成電路，接著將部份接合處加熱，結果造成電路內的磁針開始擺動，顯示電路內有電流在流動，因此科學界將此現象稱為Seebeck效應，量測溫度時就是利用Seebeck效應，使銅－銅鎳（constantan）熱電耦產生電力，達成溫度量測的目的，因此相異金屬接合獲得「Peltier效應」與「Seebeck效應」等可逆現象又被稱作「熱電轉換device」。實際上為獲得最大效益，必需根據使用材料與構造作最佳化設計，因此熱電轉換device可區分成Peltier Module與Seebeck Module兩種。

《圖二　Peltier實驗結構》

如(圖三)所示，P型與N型熱電半導體銲接於銅質電極，構成TE致冷器，當直流電流從N型流入P型熱電半導體時，可吸收上方接合面產生的熱能，並運送至下方接合面，反之電流從P型流入N型熱電半導體時，熱能則從下方流至上方。根據能量不變定理，吸熱量與Peltier消費電力兩者的總合等於散熱量，因此實際使用必需裝設散熱片（heat sink）與冷卻風扇（cooling fan）等加速散熱的元件，因為散熱能力不足時TE致冷器的接合面的溫度會升高，熱能會逆流至TE致冷器的冷卻面。

論是Peltier Module或是Seebeck Module，為了能大量吸收熱量通常是由複數組的P型與N型熱電半導體作電氣性並聯構成，因此以下有關Peltier Module一律簡稱為「Peltier元件」或是「TE致冷器」。

《圖三　Peltier的基本結構》

TE致冷器的優缺點

常見的冷卻手段以冰箱、冷氣機的壓縮機率（compressor）最具代表性，相較於壓縮機，TE致冷器的優缺點如(表一)所示；換句話說由於TE致冷器具備不占空間、無振動、可作精密的溫度控制以及結構簡單等特徵，因此它的應用範與使用數量隨著電子產品性能的提升不斷擴大。

TE致冷器之優缺點

優點：

˙簡單的極性切換就可獲得加熱效果。

˙可作高精度高反應的控制。

˙不需使用冷媒。

˙TE致冷器是由Peltier與直流電源構成，因此系統上非常輕巧無任何振動。

缺點：

˙冷卻效率偏低，每瓦特的吸收熱量極低。

˙為獲得較大的吸熱效果，必需使用大容量電源。

目前TE致冷器的P型與N型熱電半導體材料主要是鉍（Bismuth）碲（Telluric）合金。基本上原材料溶融後邊長晶邊冷卻製成的結晶材，具有容易獲得電氣傳導率的特徵，不過鉍碲合金長晶過程會產生結合較弱的部位，因此會有脆裂性（劈開性）與不易獲得機械強度等缺點，如果將結晶材擊碎、加熱加壓製成燒結材，可因粒界防止劈開面持續擴大，因此可以獲得較佳的機械強度，不過燒結材整體性能上卻不如結晶材。

如圖三所示，典型的TE致冷器是將銅質電極直接銲接於熱電半導體，上下方則分別設置冷卻元件與散熱器。(圖四)的TE致冷器則是在具備絕緣性與導熱性的兩片陶瓷基板之間，設置複數組的P型與N型熱電元件，並銲接銅質電極形成一體狀。

《圖四　標準型TE致冷器結構》

TE致冷器的熱電元件機械強度相當脆弱，因此使用過大的轉矩（torque）固定螺絲，或是使用過程遭受重大衝擊，都可能導致熱電元件破損；此外與冷卻部位接觸的空氣溫度若低於零度時，熱電元件周圍的露水可能會引發migration等trouble，因此使用時必需設置seal防止露水直接附著於熱電元件，同時避免冷卻部位的空氣直接與外部空氣相接通。

《圖五　散熱器一體型TE致冷器的外觀》

TE致冷器製作範例

根據以上的考慮製作散熱器一體型的TE致冷器，如(圖五)，該範例是利用具備螺絲孔的冷卻block與散熱器將TE致冷器挾住，TE致冷器的外部周圍再用樹脂case包覆，藉此避免TE致冷器承擔過負載，同時還可以防止外部的水氣侵入熱電元件。(圖六)則是無陶瓷基板的TE致冷器應用例外觀。標準型TE致冷器動作時，上下面的溫差會使陶瓷基板產生熱漲冷縮現象，其結果造成熱應力直接轉嫁至熱電元件，頻繁的斷續動作與溫度變化，使得熱電元件與銲接處發生機械疲勞進而破損，因此圖六的無陶瓷基板的TE致冷器使用導熱粘著劑，使Peltier密貼於冷卻block，散熱器則用散熱膏作導熱性接觸採用未固定設計，如此便可大幅減緩動作時熱電元件承受的熱應力，間接提高斷續動作時的耐久性與可靠度。

《圖六　無陶瓷基板的TE致冷器應用例》

如何選擇TE致冷器

(表二)是日本AISHEN精機TE致冷器的部份規格摘要，該規格表分別記載有關最大電流（Imax）、最大電壓（Vmax）、最大吸熱量（QCmax）與最大溫差（ΔTmax）等資料。表中的吸熱量是指可吸收物體的熱量，亦即從冷卻端移至散熱端的熱量；最大吸熱量是指冷卻端與散熱端之間的溫差為0時，可以吸收熱量的最大值。溫差是指冷卻端與散熱端之間產生的溫度差距；最大溫差是指當吸熱量為0時，冷卻端與散熱端之間發生的溫度差最大值。吸熱量QC可利用下式求得：

@內文

:吸熱量。

:冷卻端的絕對溫度。

:的電流值。

:Peltier的冷卻端與散熱端之間的溫差。

:模阻的Zebek起電力。

:模阻的阻抗值。

:模阻的熱傳導率。

由於ΔT是I的二次式，若以I作橫軸，ΔT作縱軸，就可描繪成如(圖七)所示，上方具有二次凸狀之曲線圖，該ΔT變成最大時的電流值稱為最大電流，此時的電壓稱為最大電壓。或許有人會認為所謂的最大電壓是可施加電壓的最大值，不過對TE致冷器而言並不適用。

以上四個參數（parameter）是吸熱量為0時，或是溫差為0時亦即理想狀態的數據，實際使用時會有從周圍流入熱量吸收因素與散熱端溫升等問題，因此TE致冷器的特性表只能當作參考資料。

《圖七　Peltier的驅動電流、電壓與溫差的關係》

選擇TE致冷器的步驟

假設在40℃的環境欲將10W的發熱體冷卻至30℃以下為例。首先從產品型錄的特性表中挑選最大吸熱量QCmax的TE致冷器，由於使用上會有溫差現象，因此實際的可吸收的熱量是最大吸熱量QCmax的30～50％左右，依此從(表一)選擇A-08E192-QDO與A-10D160-QAD兩種TE致冷器，接著從型錄記載的特性圖確認電力，(圖八)與(圖九)分別是擇A-08E192-QDO與A-10D160-QAD兩TE致冷器的特性圖。雖然散熱端的溫度TH取決於散熱器（heat sink）的散熱能力，若以為例，根據右側的座標圖就可藉由Y軸吸熱量QC＝10W，與X軸溫差ΔT為30℃時求出兩者的交點，之後再用左側的座標圖X軸30℃的溫差ΔT與上述右側座標求得1.6A的電流值，利用兩者的交點求取電壓值

由此可知，冷卻端的溫度TC＝30℃，散熱端的溫度TC＝30℃（ΔT＝30℃），吸熱量QC＝10W時，必需對TE致冷器施加的電壓與電流分別如下：

@內文

? A-08E192-QDO：

? A-10D160-QDO：

《圖八　A-08E192-QDO TE致冷器的溫差與吸熱量的特性圖》

Qin是TE致冷器的消費電力，以上兩TE致冷器根據計算結果可知A-10D160-QDO的消費電力較低，該TE致冷器的散熱量可利用下式求得：

《圖九　A-10D160-QDO TE致冷器的溫差與吸熱量的特性圖》

也就是說散熱器必需具備的散熱特性如下所示：

有關散熱器（heat sink）的設計技術，礙於篇幅限制無法列入本文討論範圍。一般而言鋁擠型散熱器若搭配冷卻風扇（cooling fan），通常都可以將TE致冷器的散熱量完全排除。此處假設散熱器的散熱能力不足，亦即實際溫度比設計值TH更高，必需重新變更設定溫度的case，由於實際電流值若超過Imax的60～70％，熱電元件部的電流密度會增加，使用壽命則大幅降低，因此A-10D160-QDO TE致冷器根據下式計算結果，證實實際電流值符合上述60～70％的限制。

《圖十　TE致冷器與散熱器、冷卻元件的固定方法》

如何發揮TE致冷器的性能

縮小溫差

公式一的第一項是施加電流後所獲得的冷卻效果，第二項則是電流產生的焦耳熱，它是冷卻面與散熱面各分配1/2的熱量。上述各項符號分別是第一項為正，第二項與第三項為負，由此可知只要加大第一項，縮小第二項與第三項，就可獲得較大的吸熱量，由於αe、Re、Ke取決於TE致冷器的種類，因此若將αe、Re、Ke視為定數時，就可穫得增加吸熱量的方法，具體內容如下：

《圖十一　TE致冷器前後左右水平方向滑動排除空氣》

實際上冷卻端具有一定的目標溫度，因此不易變更第一項的條件，相較之下改變第二項的條件比較有效，具體方法是使用高散熱能力的散熱器，藉此降低ΔT進而獲得高效率的驅動效益。

電流流入阻抗值為Re的TE致冷器產生的電壓值可用下式表示：

可知根據歐姆法則求得的第一項含有αe×ΔT（第二項）成份；第二項則是因通電後熱電元件兩接合面產生的溫差ΔT所造成的Seebeck效應，由於它屬於偏壓（bias）與逆向起電力，因此變成所謂的損耗電力。根據第二項可知電流I流入阻抗值為R的阻抗體時的電壓V並無法統一性定義，也就是說TE致冷器的消費電流與一般電阻等電子元件不同，無法從流動的電流與阻抗值求出電壓，此外溫差ΔT也會影響TE致冷器的消費電流，因此施加電流I的同時降低電壓，亦即降低TE致冷器的消費電力與降低溫差ΔT一樣都很重要。

由於TE致冷器同時具備吸熱與消費電力兩特性，因此降低消費電力相對的散熱器就可變小。如上所述TE致冷器的動作特性不適用歐姆法則，所以估算驅動電力時必需將逆向起電力也 一併列入考慮。

TE致冷器與冷卻元件、散熱元件之間不可有間隙

常用的冷卻元件與散熱元件固定於TE致冷器方法分別有：

如(圖十)所示冷卻元件與散熱元件是用螺絲固定，兩者之間挾持TE致冷器，這種固定方法必需消除接合面的間隙，因為空氣的熱傳導率非常的低，如果導熱面有空氣間隙，熱阻抗會大幅上升，因此冷卻元件與散熱元件的平面度不可超過0.02mm，此外與TE致冷器接觸的表面必需塗抹散熱膏，該散熱膏與功率晶體常用的散熱膏為同等級。

將TE致冷器置於grease塗佈面的場合，由於grease會夾帶部份空氣，因此TE致冷器必需依照(圖十一)所示前後左右水平方向滑動藉此排除空氣，利用銲接或是粘著劑固定的場合也是比照辦理。

抑制螺絲的回流熱量

固定冷卻元件與散熱元件的螺絲會導熱，尤其是金屬螺絲的場合熱量會從散熱端回流至冷卻端使得冷卻效率大幅降低，如(圖十二)所示必需改用塑膠螺絲，或是使用塑膠墊片降低金屬螺絲的回流熱量。

《圖十二　抑制螺絲的回流熱量具體對策》

嚴格管制螺絲固定轉矩

如上所述熱電元件非常脆弱，因此利用螺絲固定冷卻元件與散熱元件，等於是間接對TE致冷器施加負荷，為防止過大得螺絲固定轉矩造成熱電元件破裂，所以必需嚴格管制螺絲鎖固轉矩（torque）。一般利用M4 螺絲固定鋁質元件時，螺絲固定轉矩每1kfg‧cm大約是50N，利用M4大約是100N；對模組整體均勻施加負載的場合，30mm大小TE致冷器的耐負載量為1200N，40mm大小則為1800N，該值為未通電時上下基板的溫差為0，垂直方向壓縮時的機械破壞負載極限，實際上上下基板的溫差會反覆施加水平方向的力量，而且固定元件並非真平面所以負載不可能完全均勻，因此固定轉矩通常會乘上三倍的安全係數。例如用兩支M4金屬螺絲固定30mm大小TE致冷器時，固定轉矩T可利用下式求得：

:固定轉矩。

:TE致冷器的容許負荷值。

S: 安全係數

:施加於螺絲的固定轉矩單位負載

:螺絲的數量

也就是說螺絲的固定轉矩不可超過。必需注意的是固定螺絲必需分段增加每支螺絲的固定轉矩，否則固定會傾斜對TE致冷器形成偏向負載，如(圖十三)，嚴重時甚至會造成TE致冷器破裂。

《圖十三　TE致冷器的螺絲固定方式》

防止水滴滲入

陶瓷基板之間若矽膠等seal密封，雖然可以防止水份滲入熱電元件內，不過矽膠具有水蒸氣穿透特性無法防止水滴滲入，因此必需改用橡膠板或是Urethane等彈性氣密性材料，再利用螺絲固定特性壓縮上述材料，藉此遮斷TE致冷器周圍與外部的空氣，達到防止水滴滲入的目的，如(圖十四)。

《圖十四　TE致冷器的防水對策》

試作小型溫度調整電路

設計規格

(表二)是溫度調整電路的設計規格，溫度控制精度為±2℃，本電路具備加熱與冷卻兩種控制模式；(圖十五)是控制電路板的外觀。控制與顯示使用單晶片微控器PIC16C73B（以下簡稱為PCI），電源ON之後只需旋轉溫度設定旋鈕就可設定溫度，接著按START與STOP按鍵即可。

《圖十五　控制電路板的外觀》

基本動作

(圖十六)是溫度調整電路的方塊圖，首先利用溫度設定用可變電阻將設定電壓輸入制PIC的A-D基板，7 Segment LED就會顯示設定的溫度值，接著將Thermistor固定在TE致冷器量測致冷器的溫度，在此同時內建於PIC內部的A-D Converter讀取Thermistor傳出的信號level，再將TE致冷器的實際動作溫度顯示於7 Segment LED。由於PIC已事先內建控制程式，因此設定溫度與實際動作溫度進行比較後，就可決定冷卻模式或是加熱模式，此使PIC會產生PWM信號，並發佈TE致冷器的補正量指令，而電壓的極性則用繼電器（relay）切換。

《圖十六　溫度調整電路的方塊圖》

溫度控制單元

基本上它是用PIC內部的PWM Timer產生PWM信號，藉此信號作Power-MOSFET Tr2 的switching控制，接著用choke coil L1與電容C2，藉由極性切換繼電器RY2，提供平穩的直流電壓給TE致冷器。PIC責根據設定溫度與實際動作溫度進行PID演算，並將操作量輸入至PWM Timer，PID控制程式包含顯示程式在內的容量大約是2Kb左右。雖然溫度控制器的精度是±2℃，不過經過控制程式的補正，就可大幅提高控制精度。

激烈的極性切換作溫度調整，或是激烈的冷卻與加熱反轉，會因熱stress造成對可靠性造成不良影響，如果設計上有類似上述述操作需求時，就必需在冷卻與加熱切換過程設置off緩衝時間，藉此降低單位時間的溫度變化量。此外為提高低溫時的溫度控制精度，因此使用兩個OP增幅器將Thermistor的輸出信號增幅。

絕緣電緣單元

本溫度調整器主要訴求是輕巧小型低價，因此採用PIC進行能量控制方式，間接達到溫度控制的目標，也就是說本溫度調整器的電緣單元不需管理（regulation），不過一般商用電源變壓器（transformer）的體積非常龐大，有鑑於此本溫度調整器採用12V、6A RCC type絕緣型電源供應器（S.P.S: Switching Power Supply），如此便可符合上述要求，同時還可以防止電源供應器故障時，不會對TE致冷器施加過電壓。

檢討電源時最重要的是儘量降低電流與電壓波動（ripple）含有率，因為波動會供給與目標極性相異方向的電壓，造成冷卻效率降低並產生焦耳熱量，因此本溫度調整器利用15kHz高頻，使power-MOSFET switching，藉此使與的波動微量衰減。一般電源電路通常會使變壓器T1的二次電壓一定的方式，並作feed back控制，不過本溫度調整器基於成本考量並未作如此設計，而是將變壓器設計成當power-MOSFET Tr1的驅動信號duty為100％時，就會提供6A、12V給TE致冷器的結構，如此一來duty一旦降至50％時，二次電壓就會上升，因此流入TE致冷器的電力並不會發生減半等問題。值得一提的是，PIC內部無乘法、除法指令，因此不易執行高速複雜的演算，所以在程式上製作對照用data table，亦即程式內設有設定溫度與實際溫度的溫差與操作量table，利用大約每隔2秒的控制時間間隔，與data table進行比對，接著根據該操作量與上述2秒內的溫度變化，決定驅動power-MOSFET的PWM信號duty。此外基於輸出範圍與取得性等考量，變壓器的core使用E140。

(表三)是變壓器的繞線規格，繞線是採用三明治結構，間隙為0.5mm因此可獲得80％左右極高的效率。R1是抑制無負載時與定格時電壓差的電阻，它的輸入電源電壓範圍為110±15V若超過該範圍必需追加設置保護電路，防止TE致冷器的供給電壓大於12V以上。

結語

由於電子產品高速高密度化的結果，如何有效的將電子元件產生的熱能排除，使電子元件維持正常的運作，成為工程人員必需面對的新課題，而具備輕巧操作容易等特徵的TE致冷器應用再度受到重視，雖然TE致冷器的功率還無法cover CPU的熱能，不過隨著技術的進化，相信未來TE致冷器勢必成為冷卻元件市場的主流。