新型热电材料在室温下工作效率高且成本低

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据外媒报道,Laird Thermal Systems公司推出HiTemp
ET系列Peltier冷却器模块,可在高温下工作,为敏感电子器件提供现场冷却。

德州大学超导中心主任任志峰(右)和博士后研究员毛军表示,一种新型热电制冷材料生产成本低廉,在室温下工作效率高。

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在智能汽车前照灯系统中,数字光处理技术的应用越来越多。采用这种技术,可以使车前面的光线更加清晰明亮。汽车前照灯系统可在110°C的高温下工作,而DLP器件的最高工作温度只有70℃,超过温限可能会产生故障或导致运行停止。采用HiTemp
ET系列热电制冷模块,能够保护敏感DLP电子器件,确保最佳性能。

今年夏天你的方向盘是不是太热了,碰都碰不到?发表在《科学》(Science)杂志上的一种新型热电材料可能会提供帮助。

2019年11月26日,德州仪器(TI)在深圳举办了“德州仪器汽车照明媒体沟通会”。会上,TI
LED驱动器产品经理龚松先生围绕自适应大灯系统、动态尾灯、个性化内饰照明、透明车窗显示及更亮的定制化小灯等五个照明应用场景介绍了TI最新的半导体技术及解决方案。

该HiTemp
ET系列提供主动点冷却,根据主动热负荷的不同,可将温度降至低于周边环境40°C以上。Peltier冷却器提供可靠的固态结构,可以长时间运行,并且外形紧凑,适合汽车前照灯中的狭窄空间。此外,Peltier冷却器不会排气,避免车灯玻璃上堆覆积物。

由于缺乏在室温下既便宜又高效的材料,可以直接将电能转化为热能用于冷却和加热的热电设备的广泛采用受到了部分阻碍。

自适应前照灯系统

与被动冷却方案一样,主动HiTemp
ET系列也可以集成到DLP汽车前照灯系统中。冷却模块和界面材料通常用于冷侧,并与DLP直接接触。然后,冷却模块与Peltier冷却器接触。HiTemp
ET系列通电后,Peltier模块会吸收热量并将热量输送至热侧。散热机制通常包括散热器和风扇,热量不会进入周边环境。

现在,休斯顿大学和麻省理工学院的研究人员报告说,他们发现了一种新材料,这种材料在室温下工作效率很高,而且几乎不需要昂贵的碲,而碲是目前最先进材料的主要成分。

自适应前照灯系统是汽车头灯发展的趋势之一,主要是为了减少眩光,改善驾驶员的视野。

HiTemp
ET系列的工作温度在80到150°C之间。该系列产品型号众多,能够适应具有不同热泵要求、几何形状和输入功率的应用,满足各种DLP设计要求。

在线发表的一篇论文中描述的工作,由科学周四,7月18日,有可能申请保持电子设备,车辆和其他组件过热,说锋任,通讯作者的工作和德州超导中心主任,他也是安德森的物理学教授。

龚松先生表示,自适应前灯系统使用大功率LED作为光源,需要大功率LED驱动器来调节电流,从而达到所需亮度,而开关LED驱动器必须用于实现高效率,并实现用于热管理的两级功率处理拓扑。

我们已经生产了一种新的材料,它很便宜,但性能几乎和传统的、更昂贵的材料一样好,任说。研究人员说,未来的工作可能会缩小他们的新材料和传统材料之间的细微性能差距,这是一种铋碲合金。

针对自适应前照灯系统,TI推出了相应的解决方案,包括TPS92682-Q1控制器、TPS92520-Q1驱动器、TPS9266X-Q1
LED矩阵管理器。这三款产品皆通过了汽车Q100质量体系认证。

热电材料的工作原理是利用热流从一个较热的区域流向一个较冷的区域,热电制冷模块根据Peltier效应工作,Peltier效应描述了两个电接点之间的热量传递。

其中,TPS92682-Q1最大的特点是灵活性,且易于配置,支持多种电压和电流调节拓扑,是一种带有
SPI 通信接口的双通道峰值电流模式控制器。通过编程,该器件可在恒压 (CV)
或恒流 (CC) 模式下运行。同时,该产品还整合了高级 SPI
可编程诊断和故障保护功能。

热电材料还可用于将发电厂、汽车排气管和其他来源的余热转化为电能,据报道,有许多新材料用于这种应用,这种应用要求材料在更高的温度下工作。

TPS92520-Q1则以小巧的解决方案尺寸提供了高功率密度,可用于降压电流调节器的第二级,是业界首款具有SPI的单片双路同步降压LED驱动器,其具有2.2
MHz的开关频率,裸露顶侧焊盘使其具有更强的热性能。

热电制冷模块面临着巨大的挑战,因为它们必须在较低的温度下工作,而热电性能指标(ZT)较低,因为它依赖于温度。质量分数是用来衡量热电材料工作效率的一个指标。

同时,TI推出了120W双级兼容矩阵的汽车前照灯参考设计TIDA-050030,使用了TPS92682-Q1和TPS92520-Q1这两个全新LED驱动器。

新型热电材料在室温下工作效率高且成本低。尽管面临挑战,热电制冷模块至少目前还具有更大的商业潜力,部分原因是它们可以在较低的温度下长时间运行;热电联产由于其运行的高温(包括氧化和热不稳定性)而变得复杂。

TPS9266X-Q1是一个LED矩阵管理器(LMM系列),能够实现自适应前照灯系统的像素级控制,具有多达372个具有诊断功能的独立可控像素。

热电制冷市场正在增长。研究人员写道:2018年全球热电模块市场价值约6亿美元,预计到2027年将达到约17亿美元。

值得一提的是TI特有的技术:DLP®数字光源处理技术(Digital Lighting
Processing)。

数十年来,铋碲合金一直被认为是性能最佳的热冷却材料,但研究人员表示,碲的高成本限制了其广泛应用。该论文第一作者、密歇根大学博士后研究员毛军(Jun
Mao)表示,最近成本有所下降,但仍在每公斤50美元左右。相比之下,新材料的主要成分镁的价格约为每公斤6美元。

据了解,DLP®基于 DMD 数字微镜技术(Digital Micromirror
Device),是目前投影设备主流技术,也成为了多像素智慧大灯光源系统的可选技术路线,具备高精度和高分辨率投影效果,像素数量更具优势。

除了任和毛,这篇论文的其他作者还包括朱航天、刘子航和盖塔尔阿米拉加马吉,他们都来自哈佛大学物理系和清华大学,以及麻省理工学院机械工程系丁志伟和陈刚。

龚松先生表示,基于TI
DLP®技术的大灯不仅可实现对大灯光束形状的高分辨率调节,还启用符号投影来协助驾驶员,这些符号可与驾驶员以及路上其他人员通信。

他们报告说,这种新材料由镁和铋组成,以带负电荷的n型形式产生,几乎和传统的铋碲材料一样有效。他们说,再加上较低的成本,应该会扩大热电模块用于冷却的使用。

针对高分辨率自适应前照灯系统,TI推出了DLP5531-Q1芯片和TIDA-080007及TIDA-020026两款参考设计。

为了用这种新材料制造热电模块,研究人员将其与传统铋碲合金的p型正电荷载流子相结合。毛说,这使得他们只能使用目前大多数模块的一半碲。

DLP5531-Q1芯片组适用于汽车行业标准,最终镜头高度小于40
mm,让汽车制造商能够在保持出色外观的同时提高技术性能。

他说,因为材料成本约占该设备成本的三分之一,所以节省下来的成本加在一起就足够了。

TIDA-080007是一款DLP®汽车前照灯参考设计,与现有的自适应远光灯技术相比,分辨率提高了10,000倍以上。

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