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基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究_图文

第35卷第2期
V01.35 No.2

红外与激光工程
hl丘ared and Laser Engineering

2006年4月
Apr.2006

基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究
黄岳巍,崔瑞祯,巩马理,陈刚 (清华大学精密仪器与机械学系光子与电子技术研究中心,北京100084) 摘要:TEC存在功率有限、制冷效率低的问题,在用于大功率半导体激光器的温度控制时.常常无 法达到所需的制冷效果。通过理论研究、软件仿真和实验验证。总结和提出了根据LD热负载选择 TEC的理论依据和方法,以及与之匹配的大功率散热结构的设计优化准贝4。经实验验证,根据此原则 设计的温控系统可在环境温度一40—55℃时,对30 W的LD实现恒温控制,温控范围20—40℃。温控 精度0.5℃,实验结果表明此方法可以提高系统的整体效率.在设计大功率半导体激光器温控系统时 具有一定的参考价值。 关键词:半导体制冷器; 中图分类号:1’N377 半导体激光器(LD); 文献标识码:A 散热器; 软件仿真

文章编号:1007—2276(2006)02—0143—05

TEC based

the啪ostat

system for high巾ower

seIIliconductor laser
HUANG Yue-wei,CIJI Rui—zhen,GoNG (D印amnent
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lligh-power heat sink were set out by

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LD temperanlre conm)uiIlg

system.

Key words:SeIIliconductor cooler;

LD;Heat siIlk;

Sirnulation

0引言

晶体的谱线耦合,必须调整激光二极管的输出波长, 使其与激光晶体的吸收峰值匹配。激光二极管的输出

在激光二极管泵浦固体激光器中,为实现对激光

波长随温度漂移。在电流恒定的情况下。温度每升高

收稿日期:2005—06—05:

修订日期:2005一07一lO

作者简介:黄岳巍(1978一),女,山东牟平县人,硕士,主要从事大功率半导体激光器的研究。

万   方数据

144

红外与激光工程

第35卷

1℃,激光波长将增加大约0.2~0.3

m。目前固体激

光器的吸收谱线带宽很窄(对Nd:YAG的808斗m吸

z2景称为优值系数),此时TEc工作在最佳效率状
态。 rIEC工作在最佳效率状态时,效率高、耗电少、热 点放热少,但产冷量低,需要的TEC元件多。TEC工 作在最大产冷量状态时。效率低、耗电多、热端放热 多,但产冷量高,需要的TEC元件少。
1.2

收峰宽度只有4~5蛐),因此LD的有效温控已成为
阻碍DPL工程应用的关键技术难题。 rIEC体积小,温控精度高,但是制冷功率有限,制 冷效率低.通常用于中小功率半导体激光器的温度控 制。应用于大功率半导体激光器温控系统时,由于缺 少一套合适的TEC选型准则.常常存在选取的TEc 无法达到所需要的制冷效果或者效率过低的问题。本 文在分析TEC工作原理的基础上.研究了根据LD的 热负荷、环境温度、被控温点来确定与系统匹配的 TEC的选型准则以及设计高效能散热器的方法.以提 高TEC的制冷效率,使之适用于大功率半导体激光 器的温控系统。

TEC的选用原则 在产品目录中.厂家提供的参数是:最大产冷量

Qm旺、最大工作电流k、最大工作电压‰。如何根据 已知的△丁、Qc、△k值来确定一个合适的‰?下面
将介绍一个图形化的TEC选择方法。

对于不同的TEC而言,其Q。、k、‰是不同
的。为了适应各种情况,产冷量Q、工作电流,、工作电

压Ⅳ将分别用Q蕊、厶Ⅲ、‰进行归一化。
应当注意,归一化有意义的条件是:当Q/Q一相 同时,不同的TEC的工作状况是相似的。理论推导表

1设计理论分析
1.1

TEC恒温控制系统的设计准则【1旬1 半导体制冷器是用两种不同半导体材料(p型和

明:如果TEC是用相同的半导体材料组成.且电偶对 的长度、电导率、截面积和热导率也相同(因为一般是 在一个材料相同的系列里选择TEC元器件。因此,这 个假设是成立的)。当Q/Q一相同时,1EC的电偶对

n型)组成P—N结,当P—N结中有直流电通过时,由 于两种材料中的电子和空穴在跨越P—N结移动过程 中的吸热或放热效应(即帕尔帖效应),就会使P—N 结表现出制冷或制热效果,改变电流方向即可实现 TEC的制冷或制热,调节电流大小即可控制制冷量输 出。TEC各参数之间的关系为:

横轴‰为TEC工作电流的变化,左纵轴△∥△‰
为TEC冷端和热端的温差变化,右纵轴Q/Q一为 TEC产冷量的变化。图中二次曲线表示当TEC产冷
l?0

的工作状况是相似的。TEC选择图如图l所示.图中

Q。=瑾亿一÷你一K(瓦一瓦)
^,-W=J碾+村(瓦一疋)
Qh=Ⅳ+Qc

(1)
(2)


Bd

O 8



(3) (4)




8=Q。,Ⅳ



m6

_

式中:Q。为制冷量;Q。为热端发热量;瓦为冷端温度; 瓦为热端温度;Ⅳ为输入电功率;y为工作电压;,为

弓o.4 :
0.2

工作电流;8为制冷系数;R、K、“分别为1EC内阻、 冷热端之间的热导和塞贝克系数。





“一 缓貉
O.2 O.4 0.6 D 8

:形笋氙
一盘lu。-aJT勺∞宝葛笛4昌∞l器竽∞一

;甜\甜

1.0

.1,l一

将公式(1)对,求导,可知当,=k2詈瓦时,TEc
的制冷量最大,此时1EC工作在最大产冷量状态。 将公式(4)对,求导,可知当,= —_下:i』竺::——_『△丁时,8取最大值(式中


图1
Fig.1

1EC选择图

Gr印h of selec廿ng TEC

尺(、/l峙z(瓦+瓦)-1)
万   方数据

~~

量Q(归一化成Q/Q。)变化时,△卜,之间的关系:

诹一÷你一Q △殆——卜

(5)

第2期

黄岳巍等:基于1EC的大功率LD恒温控制系统的研究

145

当TEC工作在最大温差状态时,工作点状况恰 恰在二次曲线的顶点。因此,右纵轴同时是最大温差 曲线。这里最大温差曲线指当TEC工作在最大温差

散热。 rIEC热端传给散热器的总热量Q等于Qb,由公 式(3)可知,TEC在热端放出的热量Q。为冷端所吸收 的热量Q。和TEC所消耗的电功率Ⅳ之和。而,IEC 冷端吸收的热量Q。约等于系统的热负载Q0。 散热器的温度约等于TEC的热端温度。TEC热 端的最高允许温度瓦。为: 瓦。=瓦血+△Zk (8)

状态时,△卜,之间的关系。
图中最佳效率曲线表示当TEC处于最大制冷效 率状态时,△丁一,之间的关系,最佳效率曲线指当

TEC工作在最大制冷效率状态时.△卜,之间的关系:

仁—_了—j』兰——_△丁








(6)


尺(、/1+专一z(瓦+瓦)一1 J
此时△卜,呈线性关系,因此最优化曲线成直线。

式中:k为最低温控点;△k为TEC允许的最大温
差,故散热片与环境之间允许的温差△正为: △疋=Z:一一7j。=7:血+△21眦一7j。 (9)

设系统的热负荷为Q0,环境最高温度为‰,最
低温控点为‰,则TEC的最大温差要高于△瓦一=

式中:‰为最高环境温度。将公式(3)和公式(9)代
入公式(7),得到散热片面积的公式:

瓦。一△k。首先求出瓦一/△k的值,在最佳效率曲
线上求出对应的工作在最佳效率状态时Q/Q蕊的 值,在最大温差曲线(右纵轴)上求出工作在最大温差

F=面d卷%
‘a(7五+△丁|姒一k)

(加)
、‘。7

状态时∥Q蠢的值。再代入Q。的实际值,分别得到
最佳效率状态的Q。蛆和最大温差状态的Q。础。当选
取的TEC的Q。值越靠近Q耐时,1EC的效率越高;

散热片的进一步设计及仿真可采用Qfinsoft开 发的设计和优化散热器的专业软件Qfin来进行。Qfin 可以对散热器进行数值模拟及优化,提供总体和局部 等多种类型的边界条件,求解温度、热阻等参数,对 散热器的优化变量可以是:散热器的翅片厚度、高度、 数目、基座厚度、拉伸长度、散热器质量等。 设计时通过Qfm建立散热片的简单模型,然后 仿真计算得到散热片最高温度与散热片参数关系曲 线。如图2~图7所示,通常,散热片的最高温度随底 板厚度、肋片数目、散热片长度、风扇风速的增加而降 低。增大这些参数可以提高散热片的散热能力。从曲 线上可以看出,随这些参数的增加,散热片温度下降 越来越缓慢.而设计时通常要考虑到散热片的体积限 制和成本.无限制增大这些参数并没有实际意义。设

越靠近Q删时,1EC的尺寸越小,价格也越低。但是

Q一不能低于Q删,否则在△难△k时,IEC不能使
制冷量达到Q0,系统将无法正常工作。 1.3系统的散热设计理论 由公式(1)可知,当TEC电流一定时,产冷量随 热端温度的升高而降低.为了保证所选择的TEC可 以提供足够的制冷量,必须对TEC热端进行充分散

热,以保证TEC冷热端温差不能超过△k,由此提高
rIEC的制冷效果。 设计散热器时首先根据公式粗略计算散热面积. 然后可以用软件来仿真优化,进一步确定散热器的其 他参数。散热器的散热面积可由下式计算Ⅲ:

F=寺
,1

(7)

“n』5

式中:F为散热器换热表面总面积;Q为TEC热端传 给散热器的总热量;△正为散热器和周围介质之间的 允许温差;d为散热器和周围空间的换热系数,当散 热片采用自然对流换热时.散热片与周围空气之间的 换热系数为3.5—6.0 W/m2,当采用强迫对流散热时, 换热系数大约可以提高10倍,达到35—60 w/m2。大 功率LD温控系统的散热功率很大.故采用强迫风冷
图2温度一散热片底板厚度关系曲线
Fig.2 Relation
cun,e

of temperature aIld b勰e-ba∞

block.height of me heat siIlk

万   方数据

万   方数据

万   方数据

基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 黄岳巍, 崔瑞祯, 巩马理, 陈刚, HUANG Yue-wei, CUI Rui-zhen, GONG Ma-li, CHEN Gang 清华大学,精密仪器与机械学系,光子与电子技术研究中心,北京,100084 红外与激光工程 INFRARED AND LASER ENGINEERING 2006,35(2) 6次

参考文献(7条) 1.钟广学 半导体制冷器件及其应用 1991 2.CHEN K.LIN G T Optimization of multiple-module thermoelectric cooler using artificial intelligence techniques 2002 3.IEE H J.YOON J S Numerical analysis on the cooling of a laser diode package with a thermoelectric cooler 2001 4.徐德胜 半导体制冷与应用技术 1992 5.OMER S A.RIFFAT S B.MA Xiao-li Experimental investigation of a thermoelectric refrigeration system employing a phase change material integrated with thermal diode 2001 6.许生龙.何丹.程开芳 半导体制冷中的饱和电流 1997(01) 7.陈梁.刘春霞 大功率激光二极管的精密恒温制冷系统[期刊论文]-激光与红外 1999(04)

相似文献(7条) 1.学位论文 丁芃 基于DSP的半导体激光器全数字温控系统的研究 2006
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2.期刊论文 孙丽飞.田小建.刘鹏.单向东 基于半导体致冷器的高精度PWM功率驱动器 -光电子·激光2004,15(9)
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半导体激光器(LD)的特性受温度影响很大,因此必须对其温度进行精密控制.以单片机为控制核心,结合专用芯片,采用高精度的负温度系数热敏电阻 (NTC)结合半导体制冷器(TEC)的方案,进行精密温度控制.对TEC的驱动采用脉宽调制(PWM)方式和"H"桥式电路来实现,研制了一种对电流2A的半导体激光 器进行精密温度控制的电路,温度控制精度可达±0.1℃.

5.学位论文 孙晓燕 半导体激光器特性参数测量系统的研制 2008
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6.会议论文 龙燕.任青毅.曹科峰 一种半导体激光器的精密温控电路设计 2006
半导体激光器(LD)的特性受温度影响很大,若要半导体激光器输出稳定的波长,必须对其温度进行精密控制.以单片机为控制核心,采用高精度的负温 度系数热敏电阻(NTC)结合半导体制冷器(TEC)的方案,对TEC的驱动采用脉宽调制(PWM)方式和"H"桥式电路来实现,研制了一种对电流2A的半导体激光器进 行精密温度控制的电路,温度控制精度可达±0.1C.

7.学位论文 杜海艳 便携式半导体激光器特性参数检测仪的研究 2004
随着光电子技术的迅猛发展,半导体激光器(LD)已经成为光电子领域最重要的组成部分之一.作为该领域中的核心器件,半导体激光器的性能不断提高 ,使得对测试的需要也被延伸.半导体激光器的性能指标主要依靠测试技术来保证,因此对半导体激光器参数的测试具有重大意义和研究价值.在深入了解 半导体激光器基本工作原理和基本特性的基础上,该课题就半导体激光器的测试技术作了较深入的研究.该课题主要面向组装后的激光二极管组件,对其进 行电流阈值(Ith)、光电特性(P-I)、电抗特性(V-I)等主要特性的测试.半导体激光器的驱动电流对输出功率有直接明显的影响,温度的变化则会引起其特 性曲线的畸变,因此必须使其工作在恒流和恒温状态下.设计中采用自动电流控制(ACC)和自动功率控制(APC)两种方式驱动半导体激光器.ACC控制通过电 流采样反馈,从而使电流漂移最小、LD输出稳定性最大.APC控制利用内接受光二极管,将其监测电流通过反馈网络与设定值比较,形成闭环负反馈控制.温 度控制是系统设计的重要环节,设计中采用比例积分调节器,通过半导体制冷器,使LD工作在恒温状态下.单片机控制的数字单元实现LD主要参数的采集处 理,并对硬件电路加以控制,同时具有串行接口与上位机通信,实现参数的远程设定和数据处理.为提高系统稳定度,保护半导体激光器不因浪涌冲击而损坏 ,设计中采取了充分的抗干扰措施和LD的保护措施.最后,对系统的性能进行了测试.实验结果表明,该系统的驱动电流精度和温度稳定度都达到了预定的目 标,满足了设计要求.

引证文献(5条) 1.张少飞.郭强.王会娟.王首长.胡爱兰 基于ARM的半导体激光精确控温系统的研制[期刊论文]-红外与激光工程 2009(6) 2.黎洪生.陈武勤.刘苏敏.冯兴 基于PID算法的大功率泵浦激光器温控系统设计[期刊论文]-工业控制计算机 2009(6) 3.舒麒畅.曹成伯.娄晓光 基于DSP平台的激光二极管控制系统[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(1) 4.王立东.孙长森 连续可调恒流的SLED恒温控制[期刊论文]-激光技术 2009(1) 5.邹文栋.叶钦.谢海鹤.赵立忠 基于TMS320F2812的半导体激光器温度控制[期刊论文]-红外与激光工程 2008(4)

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