Leistungsmessung thermoelektrischer Kühlmodule

Von Dr. Jeff Hershberger, leitender Wissenschaftler

Zusammenfassung

Dieses Whitepaper erläutert, wie thermoelektrische Module (TEM/TECs) Leistungstests durchlaufen, um Kühlleistung, Temperaturdifferenz (Temperaturunterschied, ΔT = Th − Tc), maximale Temperaturdifferenz (ΔTmax bei Qc = 0), Wärmelast auf der Kaltseite (Qc), maximale Wärmelast (Qmax bei ΔT = 0) und Effizienz (COP = Qc/(V × I)) zu verifizieren. Das Whitepaper beschreibt drei zentrale Herausforderungen bei Tests – thermischer Widerstand zwischen Sensor und Oberfläche, Wärmeleitung über Leitungen sowie Wärmeübertragung aus der Umgebung – und untersucht entsprechende Lösungsansätze. Darüber hinaus werden Kundenanforderungen erläutert, die bei der Prüfung berücksichtigt werden.

Aufbau und Grundfunktionen thermoelektrischer Module

Ein thermoelektrisches Modul ("TEM") oder ein thermoelektrischer Kühler ("TEC") ist ein elektronisches Bauelement zur Temperaturregelung. Die Oberseite des TEM wird häufig als "Kaltseite" oder "geregelte Seite" bezeichnet, während die Unterseite die "Heißseite" ist. Ein TEM wird mit Gleichstrom (DC) betrieben und verfügt über zwei Anschlüsse – einen positiven und einen negativen. Im Inneren enthält ein TEM zahlreiche Halbleiterelemente aus P- und N-Material ("Elemente" oder "Dice"), die elektrisch in Reihe gelötet sind.

Wird an den positiven Anschluss des TEM eine positive Gleichspannung bzw. ein positiver Gleichstrom angelegt, treten zwei Effekte auf: Die Oberseite kühlt sich ab, und an der Unterseite wird Wärme abgegeben. In der Anwendung des Nutzers wird diese Wärme über einen Kühlkörper, eine Flüssigkeits-Kühlplatte oder einen anderen Wärmetauscher abgeführt.

Temperaturdifferenz und deren Messung

Wird ein Gleichstrom an das TEM angelegt, wird die zwischen Kalt- und Heißseite entstehende Temperaturdifferenz als "ΔT" oder "DT" bezeichnet. Drei physikalische Effekte erzeugen dieses ΔT: das Peltier-Wärmepumpen, die resistive Erwärmung im Inneren des TEM sowie der Wärmerückfluss von der Heißseite zur Kaltseite durch die Halbleiter-Dice.
 

Im Ergebnis stellt sich ein stabiles ΔT über dem TEM ein, und an der Unterseite wird Wärme (gleich Spannung mal Strom) abgegeben. Mit steigendem Gleichstrom nimmt ΔT zu, bis es ein Maximum erreicht – bezeichnet als ΔTmax. Wird die Leistung über diesen Punkt hinaus erhöht, sinkt ΔT wieder. Es ist wichtig zu beachten, dass ΔTmax in der Praxis nur dann erreicht wird, wenn keine externe Wärmelast an der Kaltseite des TEM anliegt. Im nächsten Abschnitt wird das Wärmepumpen externer Lasten behandelt.
 

Zur Messung von ΔTmax wird das TEM auf einem Wärmetauscher montiert, der auf einer gewünschten konstanten Heißseitentemperatur (Th) gehalten wird. Anschließend wird der Gleichstrom erhöht, während die sich verändernde Kaltseitentemperatur (Tc) gemessen wird. Der Strom, bei dem ΔTmax am größten ist, wird als Imax bezeichnet; die bei dieser Bedingung anliegende Spannung heißt Vmax.

Wärmepumpung und ihre Messung

Eine externe Wärmelast, die an der Kaltseite des TEM anliegt, wird als Qc bezeichnet. Diese Wärmelast erwärmt die Kaltseite, sodass ΔT kleiner wird. Jedes TEM verfügt über eine maximale pumpbare Wärmelast – Qmax –, definiert als die Wärmelast, bei der ΔT = 0 wird.

Ein TEM-Entwickler kann ein TEM mit größerem Qmax realisieren, indem er die Anzahl der Halbleiter-Dice erhöht. Ein TEM mit mehr Dice weist jedoch kein größeres ΔTmax auf. Außerdem ist ein höheres Qmax nicht zwangsläufig effizienter – dazu mehr im folgenden Abschnitt.

Zur Messung von Qmax wird das TEM auf einem Wärmetauscher bei geregelter Th-Temperatur montiert, und zunächst wird ΔTmax gemessen, da Imax bekannt sein muss. Danach wird ein konstanter Strom Imax angelegt. Die Wärmelast Qc wird dann schrittweise erhöht, während ΔT gemessen wird. Geringe Wärmelasten ergeben größere ΔT-Werte und umgekehrt; der Qc-Wert, bei dem ΔT = 0 wäre, wird durch Extrapolation ermittelt und entspricht Qmax.
 

Herausforderungen und Lösungsansätze

Herausforderungen bei der Leistungsprüfung

Zur Messung von ΔTmax und Qmax müssen die Temperaturen an der Ober- und Unterseite des TEM sowie die in die Oberseite eingebrachte Wärmemenge bekannt sein. Drei Herausforderungen erschweren die genaue Bestimmung von Tc, Th und Qc:

• Erstens können die Temperaturen an den Oberflächen des TEM nicht direkt gemessen werden, da sich die Temperatursensoren in Kupferblöcken befinden. Zwischen der gemessenen und der tatsächlich gesuchten Temperatur besteht ein gewisser thermischer Widerstand.
• Zweitens werden Drähte zur Temperaturmessung und zur Versorgung des Heizelements benötigt, und diese Drähte leiten Wärme zur oder von der Kaltseite des TEM. Dies ist besonders problematisch, wenn die Drähte Raumtemperatur haben, Tc jedoch sehr kalt ist – etwa während eines ΔTmax-Experiments. Obwohl eine definierte Wärmelast (Heizerspannung mal Heizerstrom) aufgebracht wird, addieren oder subtrahieren die Drähte eine unbekannte Wärmemenge.
• Drittens transportiert Luft Wärme. Konduktion, Konvektion und Strahlung ermöglichen jeweils einen Wärmeeintrag in die oder -abfluss aus der Kaltseite des TEM. Auch diese Effekte verfälschen Qc um eine unbekannte Größe.
   

Lösungsansätze für die Prüfherausforderungen

In unserem Leistungsprüfsystem lässt sich die Messgenauigkeit von Tc und Th verbessern, indem die bestmöglichen thermischen Grenzflächenmaterialien zwischen dem TEM und den die Sensoren enthaltenden Kupferblöcken eingesetzt werden. Häufig werden hierfür Wärmeleitpasten verwendet. Flüssige Metalllegierungen können jedoch einen thermischen Widerstand erzielen, der nur ein Fünftel bis ein Viertel des Widerstands einer Paste beträgt. Diese Legierungen sind bei Raumtemperatur flüssig, ähnlich wie Quecksilber. Flüssigmetall kann allerdings nicht auf der Kaltseite eines TEM eingesetzt werden, da die Kaltseite weit unter den Gefrierpunkt jeder Flüssigmetalllegierung abkühlen kann.

Die Wärmeleitung durch Drähte kann minimiert werden, indem sichergestellt wird, dass die Drähte weder wärmer noch kälter sind als die Kaltseite des TEM. Üblicherweise sind diese Drähte mit einem Netzteil oder anderen Elektronikkomponenten verbunden. Die Drähte können jedoch durch Auflegen auf eine nahe am TEM befindliche, gekühlte Oberfläche abgekühlt werden. Unser Ansatz besteht darin, ein zweites TEM – das sogenannte "Kontroll-TEM" – neben dem zu prüfenden TEM zu platzieren. Die Kaltseite des Kontroll-TEM wird auf der gleichen Temperatur wie das geprüfte TEM gehalten, sodass die Drähte die Messung nicht beeinflussen.

Drahtführungsanordnung – Schematische Seitenansicht
 

Wärmeleitung durch die das TEM umgebende Luft, Konvektion sowie Kondensation von Luftfeuchtigkeit auf dem TEM können vollständig eliminiert werden, indem der Test in einer Vakuumumgebung durchgeführt wird. Wir verwenden eine Glasglocke und eine Hochvakuumanlage, um Drücke unter 0,13 Pa (ca. 10⁻⁶ Atmosphären) zu erreichen.

Prüfziele und Kundenanforderungen

Ziele der Leistungsprüfung thermoelektrischer Module

Ein Ziel der Leistungsprüfung ist die Verifizierung, dass Prototypen von TEMs die Anforderungen eines Kunden erfüllen. Diese Prüfung liefert Messdaten zur Unterstützung der Berechnungen des TEM-Entwicklers.

Ein weiteres Ziel ist die Verifizierung, dass eine bestimmte Liefercharge der vom Kunden bestellten TEMs die Anforderungen erfüllt. Dies dient der Erfüllung von Los-Abnahmekriterien für Kunden, deren Wareneingangskontrolle Messdaten erfordert.
In beiden Fällen definieren die Anforderungen Bestanden/Nicht-Bestanden-Kriterien für die Prüfergebnisse.

Types of Customer Requirements in TEM Performance Evaluation

Arten von Kundenanforderungen bei der TEM-Leistungsbewertung
Verschiedene Kunden fordern unterschiedliche Arten von Leistungsprüfdaten. Eine Art von Bestanden-/Nicht-Bestanden-Kriterium ist das Erreichen eines Mindest-ΔTmax und eines Mindest-Qmax bei einer bestimmten Temperatur Th. Diese Mindestwerte können aus der Anwendung des Kunden stammen oder lediglich eine einfache Verifizierung der Berechnungen des TEM-Entwicklers darstellen.

Eine zweite Art von Bestanden-/Nicht-Bestanden-Kriterium ist die Messung des Stromverbrauchs oder der Effizienz des TEM in einer Simulation der Kundenanwendung. Der Kunde gibt ein spezifisches Th, Tc und Qc vor, und die Leistungsprüfung misst die Leistungsaufnahme (Spannung mal Strom) des TEM unter diesen Bedingungen. Die Effizienz – oder der Leistungskoeffizient (COP) – ist definiert als die gepumpte Wärme dividiert durch die aufgenommene Leistung: COP = Qc / (V × I).

Es ist sehr wichtig, die Einsatzbedingungen des Kunden im Detail zu verstehen. Die Angabe von Th, Tc und Qc mag einfach klingen, doch es ist leicht, kleinere Beiträge zu übersehen – etwa Leitungsdrähte zu und von den auf dem TEM platzierten Bauteilen, eine ungleichmäßig verteilte Wärmelast, hohe thermische Widerstände außerhalb des TEM, die alle Temperaturen ansteigen lassen, usw. Zudem kann der Kunde Einschränkungen hinsichtlich des maximal lieferbaren Stroms oder der Spannung seines Netzteils haben.

Diese beiden Arten von Kundenanforderungen sind im Performance-Envelope-Diagramm dargestellt, das dem Diagramm von ΔT und Qc aus dem Abschnitt "Wärmepumpen und dessen Messung" ähnelt. Die blauen Kreise stellen die vom TEM-Entwickler berechneten Werte für ΔTmax und Qmax dar, während der grün schattierte Bereich alle Kombinationen von Qc und ΔT repräsentiert, die das TEM bereitstellen kann. In diesem als "Performance-Envelope" bezeichneten Bereich kann der COP gemessen werden.
 

Interpretation des TEM-Performance-Envelopes

Das Verhalten eines TEM unter Wärmelast ähnelt dem Verhalten eines Lüfters oder einer Wasserpumpe: Wird mehr Durchfluss gefordert, sinkt der Druck. Bei einem TEM ist die Beziehung zwischen ΔT und Qc linear. Die Linie zwischen ΔTmax und Qmax beschreibt das Verhalten des TEM, wenn es mit einem Strom gleich Imax betrieben wird. Auf dieser Linie ist die Effizienz gering, da das TEM an seiner Leistungsgrenze arbeitet.

Liegt der TEM-Strom jedoch unter Imax, bleibt das Verhalten linear, jedoch mit niedrigeren Kombinationen aus ΔT und Qc. Die Effizienz verbessert sich, wenn Th, Tc und Qc mit einem Strom unter Imax aufrechterhalten werden können.

Es mag verlockend erscheinen, die Effizienz beliebig steigern zu können, indem ein TEM mit sehr großem Qmax ausgelegt wird, das bei sehr geringem Strom betrieben wird. Bei der Auslegung eines TEM gibt es jedoch einen optimalen Wirkungsgrad für ein bestimmtes Th, Tc und Qc – das ist das Physikalisch Erreichbare.

TEM-Effizienz COP: Definition und Prüfmethode

Der COP ist definiert als die Wärmelast dividiert durch die Leistungsaufnahme des TEM: COP = Qc / (V × I).
Die Messungen werden bei den vom Kunden vorgegebenen Temperaturen Th und Tc mit denselben Geräten durchgeführt, die auch für die Qmax-Messung verwendet werden.

Zur Einrichtung des Tests wird Th auf 65 °C erhöht und das Netzteil des Heizelements eingeschaltet, um eine Wärmelast von 2,75 Watt aufzubringen. Anschließend wird das Netzteil des TEM eingeschaltet, um einen bestimmten Strom zu liefern, und Tc wird gemessen. Daraus ergibt sich ΔT. Gleichzeitig wird die TEM-Spannung gemessen und mit dem TEM-Strom multipliziert, um die Leistungsaufnahme zu bestimmen.

Diese Messungen werden für fünf verschiedene TEM-Stromwerte wiederholt, wodurch fünf Messpunkte entstehen. In diesem Beispiel lag die Kundenanforderung bei ΔT = 30 K, was zwischen zwei Messungen lag. Mithilfe von Kurvenanpassungen (gestrichelte Linien) wurden der Strom geschätzt, bei dem ΔT = 30 K beträgt, sowie die entsprechende Leistungsaufnahme geschätzt. In diesem Fall betrug die Leistungsaufnahme 2,84 Watt, was einen COP von 0,96 ergibt.

Ausrüstung für Leistungsmessungen bei TTS

Die im Abschnitt „Lösungsansatz für die Herausforderungen bei der Leistungsmessung“ beschriebenen Verfahren wurden zunächst in einem Referenz- bzw. Entwicklungstestsystem eingesetzt. In diesem Testsystem wird das „Kontroll-TEM“ von einer anderen Stromversorgung gespeist als das zu prüfende TEM und unabhängig geregelt. Dies ermöglicht eine hohe Genauigkeit, da die Temperaturen des zu prüfenden TEM und des Kontroll-TEM exakt übereinstimmen. Der Durchsatz ist jedoch gering, da es lange dauert, bis jeder Datenpunkt thermisch stabilisiert ist.

Es wurde ein Produktionstester aufgebaut, bei dem das „Kontroll-TEM“ von derselben Stromversorgung gespeist wird wie das zu prüfende TEM und dieselbe Bauart wie das zu prüfende TEM aufweist. Dadurch liegt die Temperatur des Kontroll-TEM nahe an der Temperatur des zu prüfenden TEM, was eine ausreichende Genauigkeit ermöglicht. Der Durchsatz dieses Testsystems ist höher, da die thermische Stabilisierung schneller erfolgt.

Die Darstellung rechts zeigt typische Komponenten eines Testsystems: Glasglocke mit Hebevorrichtung, Wasserkühler, Vakuumpumpen sowie Computersystem mit Stromversorgungen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was ist ein TEM bzw. TEC?

Ein mit Gleichstrom betriebenes Bauteil, das aus zahlreichen P- und N-Halbleiter-Dice in elektrischer Reihenschaltung besteht und Wärme von der Kaltseite zur Heißseite pumpt, wenn Strom angelegt wird.

Was sind ΔT und ΔTmax?

ΔT ist die Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite. ΔTmax ist die maximale Temperaturdifferenz, die nur dann auftritt, wenn auf der Kaltseite keine externe Wärmelast anliegt (Qc = 0).

Wie wird ΔTmax des thermoelektrischen Kühlers gemessen?

Das TEM wird auf einem Wärmetauscher montiert, Th wird konstant gehalten, der Strom wird variiert, Tc wird gemessen, und der Strom, bei dem ΔT sein Maximum erreicht, wird als Imax bestimmt. Die entsprechende Spannung ist Vmax.

Was sind Qc und Qmax?

Qc ist die externe Wärmelast, die auf die Kaltseite aufgebracht wird. Qmax ist die Wärmelast, bei der ΔT = 0 ist, also die maximale Wärmemenge, die das Modul bei der spezifizierten Temperatur Th pumpen kann.

Wie wird Qmax gemessen?

Zunächst wird Imax aus dem ΔTmax-Test bestimmt. Anschließend wird das TEM mit I = Imax betrieben, Qc wird erhöht, während ΔT aufgezeichnet wird, und auf ΔT = 0 extrapoliert. Der entsprechende Qc-Wert ist Qmax.

Verbessert eine höhere Anzahl von Dice ΔTmax oder die Effizienz?

Mehr Dice können Qmax erhöhen, erhöhen jedoch nicht ΔTmax. Ein höheres Qmax bedeutet nicht zwangsläufig eine höhere Effizienz.

Wie werden thermoelektrische Module (TEM/TECs) auf ihre Leistung geprüft?

Es werden ΔT, ΔTmax, Qc, Qmax, Imax/Vmax und COP = Qc/(V × I) bei festgelegtem Th definiert bzw. gemessen.

Werden alle Module leistungsgemessen, und wie?

Wir testen nur Stichproben eines Designs oder einer Produktionscharge. Nicht jede Teilenummer wird im Rahmen der Leistungsmessung geprüft.

Was beeinflusst Genauigkeit und Effizienz?

Zu den Herausforderungen zählen Sensorpositionierung, Wärmeleitung über Leitungen und Wärmeaustausch mit der Umgebung. Gegenmaßnahmen sind hochleitfähige Schnittstellenmaterialien, ein Kontroll-TEM und ein Vakuum von < 0,13 Pa.

Akronyme und Symbole