基于半导体制冷的太阳能LED系统散热设计

　　引言

　　在世界能源短缺, 环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府积极实施的能源战略之一。太阳能LED照明系统的应用符合这一战略决策的发展趋势。然 而,LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响。对于LED照明系统来讲,LED在工作过程中只能将一少部分的电能转化成光能, 而大部分的能量被转化成了热能。随着LED功率的增大,发热量增多,如果散热问题解决不好,热量集中在尺寸很小的芯片内,使得芯片内部温度越来越高。当温 度升高时将造成以下影响:⑴工作电压减少;光强减少;光的波长变长。⑵降低LED驱动器的效率、损伤磁性元件及输出电容器等的寿命,使LED驱动器的可靠 度降低。⑶降低LED的寿命,加速LED的光衰。LED照明系统的散热问题已经成为制约该项技术发展的一个主要障碍。目前,在解决LED照明系统的散热问 题上主要采用的方法有:调整LED的间距;合理加大LED与金属芯印制板间距离;打孔方式;安装风扇。这些方法在实际应用中受到许多客观条件的影响,散热 效果并不是很理想。半导体制冷又称热电制冷,是利用半导体材料的Peltier 效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术,其 特点是无运动部件,可靠性也比较高。利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题,具有很高的实用价值。

　　1 半导体制冷的工作原理

　　1934年法国人帕尔帖发现: 当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热由电流的大小来定。

　　上式中:Q为放热或吸热功率;a为温差电动势率;T为冷接点温度;I为工作电流。

　　基于帕尔帖效应原理,帕尔帖效应制冷也叫温差制冷。半导体制冷技术的主要原理是基于帕尔贴效应。半导体制冷是根据热电效应技术的特点,采用特殊 半导体材料热电堆来制冷,能够将电能直接转换为热能,效率较高。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋, 加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件,它的工作特点是一面制冷一面发热。

　　根据量子理论,金属与半导体材料具有不同的能级、不同的接触电位差和不同的载荷体 。如图1所示,P型与N型半导体之间用金属板连接,另一端通过金属板构成图中电路,当合上电键k时,就会有图中的电流通过PN结,这样就会在半导体与金属 板相连的上端形成帕尔帖冷效应,下端形成帕尔帖热效应。

　　2 半导体制冷系统的设计

　　2.1 半导体制冷系统构成