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中国科技网讯 据物理学家组织网5月9日(北京时间)报道,美国加州大学河滨分校伯恩斯工程学院的研究人员开发出一种新技术,可借助石墨烯实现大功率半导体设备的大幅降温,解决在交通信号灯和电动汽车中使用的半导体材料散热问题。相关研究报告5月8日发表在《自然·通讯》杂志上。 自上世纪90年代以来,半导体材料氮化镓(GaN)就被用于强光的制造,并因为高效和可耐高电压工作而被用于无线设备中。然而就像所有大功率操作设备一样,氮化镓晶体管会散发出相当多的热量,需要对其快速而有效的移除。科学家已尝试过倒焊芯片和复合基底等多种热量管理途径,但效果都不理想。如何为这些设备降温仍困扰着学界,氮化镓电子工业的市场份额和应用范围也因为难以散热而受到限制。 基于纳米设备实验室开发的新技术,将使这一情况得到改善。研究小组由电子工程学教授亚历山大·巴兰金领导,他们在进行微拉曼光谱温度测量时发现,通过引入由多层石墨烯制成的交替散热通道,能使在高功率运转情况下的氮化镓晶体管中的热点降低20℃,并将相关设备的寿命延长10倍。 巴兰金表示,这代表了热量管理领域的变革性进展。与金属或半导体薄膜不同,多层石墨烯即使在自身厚度仅为数纳米时,也能保持良好的热力性质,这使它们成为了制造侧面导热片和连接线的极佳备选。研究人员在氮化镓晶体管上设计并构建了石墨烯“被子”,使其能从热点处移除和传导热量。计算机模拟则显示,采用热阻更强的基底能使石墨烯“被子”更好地在氮化镓设备上发挥作用。(记者 张巍巍) 总编辑圈点 大功率LED光源寿命是高压钠灯的4倍以上,耗电仅为白炽灯的十分之一,因此正越来越多地用在景观照明、交通信号灯等领域,但是散热问题一直阻碍着它的迅速普及。一般情况下,LED光源工作时所产生的热量占其消耗总功率的70%左右,热量若无法导出,将会影响产品生命周期、发光效率。热点降低20℃,寿命延长10倍。文中提到的降温新方法着实振奋人心,可以想见,一旦技术成熟并投入使用,城市的夜晚将更加绚烂夺目。 《科技日报》(2012-05-10 一版)
[color=#000099][size=14px]摘要:针对目前TEC半导体制冷器温控装置对高精度、模块化、可编程和远程控制等方面的技术需求,本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构,以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元,采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器,配合带有通讯功能的PID控制器可实现灵活的组合和应用,并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color][size=14px] TEC半导体致冷器(Thermo Electric Cooler)是一种利用半导体材料的珀尔帖效应制成的可在-60~100℃范围实现制冷和加热功能的器件。在TEC的具体控温应用中,目前普遍采用了两种形式的温度控制装置:[/size][size=14px] (1)采用专用TEC控制芯片加外围电路的定点温控模块或温控器。这种TEC温控器的功能非常有限,无论在控制精度和加热制冷功率都比较低,而且无法满足可编程的程序自动控制,很多不具备PID参数自整定功能,但优势是价格低廉。[/size][size=14px] (2)采用具有正反作用(加热和制冷)功能的通用型PID控制器,结合电源驱动器,构成的TEC温度控制仪器。尽管这些价格昂贵的TEC控制仪器具有可编程和PID参数自整定的强大功能,但这些通用型PID控制器的AD和DA位数普遍偏低,大多为12和14位,极少有16位和24位,而且基本没有配套的计算机控制软件,很多程序控制还需要软件编写才能实施。[/size][size=14px] 目前TEC温控系统的应用十分广泛,所以对TEC温控系统普遍有以下几方面的要求:[/size][size=14px] (1)具有较高的控制精度,AD位数最好是24位,DA位数为16位,并采用双精度浮点运算和最小输出百分比可以达到0.01%。[/size][size=14px] (2)可编程程序控制功能,除了任意设定点温度控制之外,还需具备可按照设定折线和冷热周期变化进行控制的功能。[/size][size=14px] (3)模块式结构,即PID控制器与电源驱动器是分立结构。这样即可用超高精度PID控制器作为基本配置,根据不同的制冷/加热对象选配不同功率的电源驱动器,由此使得TEC温控系统的搭建更合理、便捷和高性价比。[/size][size=14px] (4)具有功能强大的随机软件,通过随机软件在计算机上实现温度变化程序设定,并对温度变化过程进行采集、显示、记录和存储。[/size][size=14px] (5)具有与上位机通讯功能,通讯采用标准协议,上位机可与之通讯并对TEC温控仪进行访问和远程控制。[/size][size=14px] 针对上述对TEC温控装置的技术要求,本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构,以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元,采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器,配合PID控制器可实现灵活的组合和应用,并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][b][size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size][/b][size=14px] 解决方案的技术路线是采用模块式结构,即将PID控制器与电源驱动器拆分为独立结构,以超高精度PID控制器作为基础单元,电源驱动器可根据实际应用场景的功率要求进行选择。解决方案的结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][color=#000099][b][img=分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图,600,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231152472194_9272_3221506_3.jpg!w690x509.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#000099][b]图1 分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图[/b][/color][/align][size=14px] 如图1所示,解决方案描述了一个典型TEC制冷器温度控制系统的整体结构。整体结构有三部分组成,分别是PID控制器、电源驱动器和TEC模组。此整体结构结合温度传感器和外置直流电源组成闭环控制回路,可实现TEC模组温度快速和高精度的程序控制。三部分具体描述如下:[/size][size=14px] (1)超高精度PID控制器:此PID控制器是一台具有分程控制功能的超高精度过程调节器,分程功能可实现不能区间的控制,自然可以实现TEC模组制冷/加热的分程控制。此控制器采用了24位AD和16位DA,是目前国际上精度最篙的工业用PID控制器,特别是采用了双精度浮点运算,使得最小输出百分比可以达到0.01%,这非常适用于超高精度的控制。另外此控制器具有无超调PID控制和PID参数自整定功能,并具有标准的MODBUS通讯协议。控制器自带控制软件,计算机可通过软件进行各种参数和控制程序设置,可显示和存储整个控制过程的设定、测量和输出三个参数的变化曲线。[/size][size=14px] (2)电源驱动器:电源驱动器作为TEC模组的驱动装置,可根据PID控制信号自动进行制冷和加热功能切换,具有一系列不同的功率可供选择,基本可满足任何TEC模组功率的需要。[/size][size=14px] (3)TEC模组:TEC模组是具体的制冷加热执行机构,可根据实际对象进行TEC片的串联或并联组合。TEC模组还包括风冷或水冷套件以及温度传感器,温度传感器可根据实际控制精度和响应速度要求选择热电偶、铂电阻或热敏电阻。[/size][size=14px] 总之,本文所述的解决方案极大便利了各种TEC半导体致冷器自动温度控制应用,既能保证温度控制的高精度,又能提供使用的灵活性和便捷性,关键是此解决方案具有很高的性价比。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size]
半导体激光器又称激光二极管(LaserDiode,LD),是二十世纪八十年代半导体物理发展的最新成果之一。半导体激光器的优点是体积小、重量轻、可靠性好、使用寿命长、功耗低。此外,半导体激光器采用低电压恒流供电方式,电源故障率低、使用安全,维修成本低。目前,半导体激光器的使用数量居所有激光器之首,某些重要的应用领域,过去常用的其他激光器,已逐渐被半导体激光器所取代。此外,半导体激光器品种繁多,既有波长较长的红外、红光,也有波长较短的绿光、蓝光,可以利用这些优势拓展激光粒度仪的测量范围, 提高测量精度。早期的半导体激光器激光性能受温度影响大,光束的发散角也大( 一般在几度到 20 度之间 ),所以在方向性、单色性和相干性等方面的性能并不理想。但随着科学技术的迅速发展,目前半导体激光器的的性能已经达到很高水平,光束质量也有了很大提高,因此世界上大多数品牌的激光粒度仪都使用半导体激光器做为光源,半导体激光器用作激光粒度仪的光源时,在控制电路上须采取恒流和恒温措施,以保证输出功率的稳定。