Kühlung: Designtipps für TECs mit Peltier-Elementen

Thermoelektrische Kühler (TECs) bei denen Peltier-Module zur Kühlung eines Gegenstands oder zur genauen Temperaturregelung eines Objekts eingesetzt werden, findet man in einer Vielzahl von Anwendungen. Ideal eignen sich TECs als Kühler für Laserdioden sowie zum Kühlen von Mikroprozessoren. Darüber hinaus befinden sich TECs auch in Polymerase-Kettenreaktionssystemen (PCR) und in medizinischen Anwendungen wie Tomographie, kardiovaskuläre Bildgebung, Magnetresonanztomographie (MRT), Strahlentherapie und vieles mehr.

Viele Anwendungen, beispielsweise die Temperaturregelung von Laserdioden, nutzen kleine TECs mit geringer Leistung im Bereich von 5 bis 15W. Die zugehörigen Treiberbauteile können mit einer Spannung von 5 V betrieben werden und liefern Ströme von 1 bis 3 A.

Was aber, wenn mehr Leistung benötigt wird? Wie ist dann vorzugehen? Worauf sollten Entwickler achten und welche Möglichkeiten gibt es? Diese Situation lässt sich aus zwei Perspektiven betrachten.

Im ersten Szenario ist bereits ein funktionierender TEC vorhanden. Dessen Leistung reicht aber nicht aus und soll um 10 bis 20 Prozent erhöht werden. Im zweiten Fall soll ein TEC mit höherer Leistung von Grund auf entwickelt werden. Wie viel Kühlleistung kann ein Peltier-Element liefern? Womit sollte es angesteuert werden? Vor der eigentlichen Aufgabe sollten Entwickler wichtige Peltier-Konzepte verstehen.

Die maximale Wärmeabsorption (Qc) für ein Peltier-Modul ist im Datenblatt angegeben, gilt aber für eine Temperaturdifferenz (ΔT) von Null. ΔT ist der Temperaturunterschied des Peltier-Elements zwischen der heißen und der kalten Seite. Wenn die heiße und die kalte Seite die gleiche Temperatur haben, entspricht der Qc-Wert den Angaben im Datenblatt. Der Qc-Wert nimmt jedoch mit steigendem Delta T linear ab, bis er auf den Wert Null sinkt. Dieser Punkt wird auch als maximales ΔT bezeichnet und variiert beträchtlich. Ein typischer Wert für ein einstufiges Modul könnte bei etwa 70 °C liegen (Bild 1).

Angenommen, man möchte die heiße Seite des Peltier-Elements bei einer Raumtemperatur von +22 °C und die kalte Seite bei -5 °C halten. Der maximal zulässige Strom des Peltier-Elements beträgt 9 A, so dass ein 7-A-Treiber verwendet werden soll. Aus dem Beispieldiagramm in Bild 1 geht hervor, dass eine Temperaturdifferenz von 27 °C bei 7 A eine Leistung von 41 W ergibt.

Alle Schnittstellen haben jedoch einen Wärmewiderstand, so dass ein Temperaturgefälle entsteht, wenn die Wärme vom Peltier-Element durch den Kühlkörper und in den Raum fließt. Daher kann die heiße Seite des Peltier-Elements unmöglich 22 °C Raumtemperatur haben. Angenommen, die heiße Seite hat 30 °C. Dies ergibt einen Temperaturunterschied von 35 °C zwischen kalt und warm. Folgt man in Bild 1 der 7-A-Linie bis zum Delta-T-Punkt bei 35 °C, so zeigt sich, dass die Wärmeabfuhrleistung etwa 30 W beträgt – obwohl ein 100-W-Peltier-Element angeschafft wurde.

Selbsterzeugte Wärme

Ein weiteres wichtiges Peltier-Merkmal ist, dass Module im Betrieb viel Eigenwärme erzeugen. Die selbst erzeugte Wärmemenge kann doppelt so hoch sein wie die vom Zielobjekt absorbierte Wärme. Wenn beispielsweise das Peltier-Element 25 W vom Zielobjekt absorbiert, kann es weitere 50 W an Wärmeleistung erzeugen. Daher muss der Kühlkörper auf der heißen Seite eine Wärmeleistung von 75 W abführen können.

Für den ersten Fall, in dem ein TEC vorhanden ist und nur ein wenig mehr Kühlleistung benötigt wird, gibt es ein paar Dinge, die man in Betracht ziehen könnte. Offensichtliche Problembereiche sind die Temperatur der heißen Seite des TEC, der Wärmewiderstand der Schnittstellen der TEC-Baugruppen, die Spannungswelligkeit über dem Peltier-Element, die Temperaturdifferenz ΔT und die Isolierung der Baugruppe.

Es wird empfohlen, zunächst die Temperatur der heißen Seite zu prüfen (Bild 2). Aus Bild 1 geht hervor, wie wichtig ein kleines ΔT zwischen der kalten und der heißen Seite des Peltier-Elements ist. Mit steigendem Temperaturunterschied kann das Peltier-Element dem Zielobjekt immer weniger Wärme entziehen.

Eine schnelle Möglichkeit, ein Gefühl für die Temperatur auf der heißen Seite zu bekommen ist, die Temperatur des Kühlkörpers bei nahezu maximaler Leistung des TEC zu überprüfen. Dazu kann man einfach ein Thermoelement verwenden oder, wenn das Messergebnis an einen Mikroprozessor weitergeleitet wird, einen Thermistor.

Falls die Temperatur des Kühlkörpers auf der heißen Seite deutlich über der Raumtemperatur liegt, kann ein größerer Kühlkörper und/oder Lüfter erforderlich sein. Leider sagt die obige schnelle Prüfung nichts über die Schnittstelle zwischen Peltier-Element und Kühlkörper aus. Der Zugang zu dieser Schnittstelle kann schwierig sein, so dass in der Regel eine Demontage der Einheit erforderlich ist.

An der erwähnten Schnittstelle wird oft Wärmeleitpaste aufgetragen. Die Schnittstelle muss daher untersucht werden, um herauszufinden, ob es Lufteinschlüsse gab, die die Wärmeleitung beeinträchtigt haben könnten. Da Luft mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/(mK) ein schlechter Wärmeleiter ist, muss die Wärmeleitpaste mögliche Lufteinschlüsse beseitigen. Die Wärmeleitpaste sollte jedoch nicht zu dick aufgetragen werden, da Wärmeleitpaste mit 0,2 bis 0,3 W/(mK) auch kein guter Wärmeleiter ist, obwohl metallische Wärmeleitpasten im Bereich von 4 W/(mK) liegen können.

Wärmeleitpaste leitet jedoch immer noch zehn Mal besser als Luft. Zum Vergleich: Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 200 W/(mK), PCB-Kupfer ~380 W/(mK), PCB-FR4 etwa 0,3 W bis 0,8 W/(mK), Wasser 0,6 W/(mK) und Glas etwa 1,0 W/(mK).

Zu beachten ist, dass es möglich ist, einen Punkt zu erreichen, an dem eine Erhöhung des Stroms durch das Peltier-Element das Gegenteil von dem bewirkt, was man erwarten würde. Nämlich, dass die kalte Seite wärmer wird! Der Grund dafür ist, dass das Peltier-Element nahe an seinem maximalen ΔT liegen kann und eine Erhöhung des Stroms die heiße Seite wegen unzureichender Wärmeabfuhr wärmer macht. Wenn die heiße Seite wärmer wird, nimmt sie die kalte Seite mit nach oben.

Zu prüfen ist auch, wie sich die Spannungswelligkeit am TEC verhält, da die Welligkeit den Wirkungsgrad des Peltier-Elements verringern kann. Die Welligkeit sollte nicht mehr als 10 Prozent betragen. Empfohlen werden 5 Prozent oder weniger. Die Reduzierung des effektiven Serienwiderstands (ESR) der Lastkondensatoren der Spannungsversorgung ist wahrscheinlich die beste Änderung.

Unabhängig von der Modifikation der Spannungsversorgung, erhöhte Frequenz, zusätzliche Ausgangskapazität oder größere Drosselspule, ist jedoch mit der gebotenen Sorgfalt vorzugehen, um eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrads der getakteten Spannungsversorgung und der Regelungsstabilität zu vermeiden.

Die erste Überlegung bei einem neuen Hochleistungsdesign ist, ob ein Peltier-Modul oder eine Peltier-Baugruppe verwendet werden soll. Das Modul besteht lediglich aus dem Peltier-Element, dem Bismuttellurid zwischen Keramiksubstraten und der heißen Seite (+ Seite) mit zwei angelöteten Drähten. In diesem Fall ist es Sache des Anwenders, die Kühlkörper und die thermischen Schnittstellen zu entwerfen.

Andererseits besteht eine Baugruppe aus dem/den Peltier-Modul(en) mit den bereits angebrachten Kühlkörpern. Eine typische Einheit kann aus zwei Kühlkörpern und zwei Lüftern sowie der Verkabelung zu einer Anschlussklemme bestehen. Die Kühlkörper gibt es in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise luftgekühlt, wasser- oder glykolgekühlt und mit direkter Kühlung. Die Baugruppe wird wahrscheinlich auch einen Rahmen für die Befestigung an einem Schaltschrank oder anderem Equipment enthalten. Anwender schließen einfach eine Stromversorgung für die Lüfter an und können sich dann auf das Treiberdesign des TEC konzentrieren.

Ganz gleich, ob man die Entwicklung mit einem Modul oder mit einer Baugruppe beginnt, sind beim Design eines TEC mit hoher Leistung Kompromisse einzugehen und es müssen Entscheidungen getroffen werden.

Beispielsweise können Peltier-Module (TEC-Module) bei etwa gleicher Leistung erhebliche Schwankungen bei Strom und Spannung aufweisen. Es könnte vorteilhaft sein, mehr als ein Modul zu verwenden. Alternativ könnten mehrstufige Module gewählt werden, um das ΔT zu erhöhen. Zum Treiben von Modulen mit höherer Leistung gibt es von ADI den Baustein LT8722.

Bei der Auswahl von Peltier-Modulen sollten Entwickler berücksichtigen, dass deren Verhältnis zwischen Strom und Spannung sehr unterschiedlich sein kann. Betrachtet man zum Beispiel die verfügbaren Module im Leistungsbereich von 95 bis 105 W, so findet man Modelle mit Widerständen zwischen 0,34 und 4,4 Ω. Ein Modul mit 95 W bei 27 °C weist eine maximale Spezifikation von 19 A und 7,7 V auf, während ein anderes Modul mit 105 W bei 27 °C einen Strom von 7,6 A und eine Spannung von 21,2 V als Maximalwerte aufweist. Obwohl die Module unterschiedliche Leistungen haben, geht es darum, dass es Kompromisse zwischen Strom und Spannung geben kann, was wiederum die Anforderungen an den Treiber bestimmt.

Auch können mehrere Module eingesetzt werden. Allerdings müssen diese elektrisch in Reihe geschaltet werden, da sich ihr Widerstand mit der Temperatur ändert. Deshalb wäre die gemeinsame Nutzung von Strom (Current Sharing) zwischen parallelen Einheiten eine Herausforderung. Bei in Serie geschalteten Modulen erhöht sich natürlich der Spannungsabfall, und es werden Treiber mit höherer Spannung benötigt.

Bei einer Reihenschaltung von Peltier-Elementen erfolgt die Wärmeübertragung jedoch nach wie vor in Form einer Parallelfunktion. Sollte die höhere Spannung nicht zur Verfügung stehen und dennoch zwei Module benötigt werden, muss jedes Modul von einem eigenen Treiber angesteuert werden. Ein einziges Temperatur-Feedback könnte jedoch für beide Module verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit bieten mehrstufige Module. Diese bestehen aus einem bis fünf Modulen, die der Hersteller übereinanderstapelt. Bei mehrstufigen Modulen erfolgt die Wärmeübertragung in Reihe, so dass das Gesamt-ΔT steigt und eine Abkühlung auf eine niedrigere Temperatur möglich wird. Dies ist jedoch keine Universallösung.

Zu beachten ist, dass die heiße Seite jedes Moduls die vom Zielobjekt abgeführte Wärme plus die selbst erzeugte Wärme abführen muss. Somit muss die kalte Seite des nächsten angeschlossenen Moduls sowohl die selbst erzeugte als auch die Zielwärme des ersten Elements übertragen. Ferner müsste ein drittes Modul der Serienschaltung in der Lage sein, die Wärme des Zielobjekts plus die selbst erzeugte Wärme aller drei Elemente abzuführen. Diese zusätzliche Fähigkeit, höhere Temperaturen zu bewältigen, geht mit dem Nachteil einher, dass erheblich mehr Wärme abgeführt werden muss. Mehrstufige Module sehen meist aus wie eine Pyramide, da das am weitesten vom Ziel entfernte Modul viel Wärme zu übertragen hat und größer sein muss.

Ein 15-V/4-A-Treiber für mehr Power

Es ist offensichtlich, dass zur Erhöhung der Leistung eines TEC häufig eine höhere Treiberspannung erforderlich ist. Der Vollbrückentreiber LT8722 macht genau das. Seine Eingangsspannung V_IN beträgt 15 V und für seine integrierten FETs ist ein Strom von 4A spezifiziert.

Der Regler wurde im Hinblick auf eine hochgenaue Temperaturregelung entwickelt. Das Bauteil integriert einen 25-bit-D/A-Wandler, um Informationen von der seriellen Peripherieschnittstelle (SPI) zu empfangen, so dass über dem TEC eine genaue Differenzspannung eingestellt werden kann. Zwei zusätzlich integrierte 9-bit-D/A-Wandler legen die positiven und negativen Ausgangsstromgrenzen fest.

Die Architektur ist ein Vollbrücken-DC/DC-Wandler mit einer pulsweitenmodulierten (PWM) Abwärtswandlerstufe auf der einen Seite und einer linearen Stufe auf der anderen Seite. Letztere bietet einen Wirkungsgrad von 92,6 Prozent bei 4 A, 15 V_IN und 3 MHz.

Selbst wenn ein Ausgang ein linearer Ausgang ist, bleibt der Wirkungsgrad erhalten, da der Schalter bei hohen Ausgangströmen den Schaltstrom steuert und die lineare Ansteuerung entweder hoch oder niedrig ist, was einen nur geringen Spannungsabfall verursacht. Bei Übergängen, die den Stromfluss umkehren, befindet sich der lineare Ausgang in seinem linearen Bereich. Der Strom ist dabei gering.

Die lineare Ansteuerung hat also keinen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz. Mit dieser Architektur wird nicht nur ein hoher Wirkungsgrad erreicht, sondern auch ein geringerer Platzbedarf, da nur eine Induktivität erforderlich ist.

Der Schalter nutzt außerdem Silent-Switcher-Technologie, um elektromagnetische Störungen zu minimieren und die elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen. Die SPI-Schnittstelle ist für alle Aspekte der Steuerung zuständig, einschließlich dem Einschalten, Hochfahren, Spitzenstrom, Frequenz, differentielle Ausgangsspannung und Strombegrenzung. Das Register SPIS_ STATUS liefert Informationen über sechs Fehlerzustände sowie fünf zusätzliche Statusbedingungen, während der Analog-Multiplexer (AMUX) 13 analoge Funktionen überwacht.

Beim LT8722 handelt es sich um eine rauscharme (nur eine Seite ist ein Schalter), platzsparende (nur eine Induktivität) H-Brücke mit auf dem Chip integrierten Hilfsfunktionen (Bild 3).

Ob ein bestehender TEC überprüft werden muss, um seine Kühlleistung zu steigern, oder ein neues, leistungsstärkeres Design geplant wird – die Vorgehensweise ist nicht allzu kompliziert. Ältere Designs können thermische oder Effizienzprobleme aufweisen, die sich aber beheben lassen. Für neue Designs sind ein leistungsstärkeres Peltier-Modul, mehrere in Reihe geschaltete Module oder möglicherweise ein mehrstufiges Modul erforderlich, wenn eine höhere Temperaturdifferenz notwendig ist. Der Treiber wird zweifellos eine höhere Spannungs- und Strombelastbarkeit aufweisen und vorzugsweise über integrierte Funktionen zur genauen Temperaturkontrolle verfügen müssen. (na)