CN105203940B - 一种热电元件可靠性评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电元器件可靠性评价系统及方法，该系统包括：具备真空腔体的真空装置；用于装夹待测的热电元器件的样品测试装置，所述样品测试装置位于所述真空腔体内，且包括热源和热沉，所述热电元器件位于所述热源与热沉之间；用于控制所述样品测试装置中的所述热源的温度的热端温度控制装置；用于控制所述样品测试装置中的所述热沉的温度的冷端温度控制装置；与所述热电元器件构成串联连接电路并控制所述热电元器件的电流输出的负载装置；与所述负载装置以及所述热电元器件的冷、热侧相连以采集所述热电元器件的测量信号的多通道数据采集装置；与所述负载装置、多通道数据采集装置和热端温度控制装置相连的控制单元。

Description

一种热电元件可靠性评价系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热电元器件可靠性评价系统及方法，更具体的说，特别涉及一种热电元器件性能测试及其在不同使用工况下可靠性评价系统及方法。

背景技术

半导体热电技术是利用塞贝克和珀尔贴效应实现热能和电能之间的相互转换，主要应用表现为热电发电和热电致冷，是一种静态的能量转换方式，其中热电发电由于没有转动部件，因此最大的优点是寿命长，可靠性高，不管在民用还是军用方面都有着广泛的应用前景；然而，作为热电发电核心的热电部件的可靠性却在一定程度上影响到整个系统的可靠性。

通常热电部件是由一系列的P型和N型元件采用电串联，热并联的方式组成，任何一个元件的性能都会影响整个部件，因此需要对元件特性进行研究，从而改善元件的性能，使其在热，力，电方面匹配，提高系统性能。

潜在应用包括汽车尾气热发电、太阳能热发电、热电空调等，其中热电元件都会处于高低温热循环工作，而军用电源则主要工作在一定的温差下，因此，作为应用不仅需要知道热电元件的基本特性，同时还需要研究其在真实使用工况下的可靠性，稳定性，并定量的评价其使用寿命。

中国专利公开CN 1975448A公开了一种热电发电元件性能测量装置及方法，中国专利公开CN1782680A公开了一种温差电元器件热电转换效率的测试方法，公开了热电元器件的转换效率测量方法，以及中国专利公开CN202421371U公开了一种可控热电模块冷热端温度的功率测试实验装置，均是针对热电器件或模块输出功率或转换效率的测量，并没有涉及元器件可靠性评价方法。

美国专利公开US2003/0218464A1公开了一种用于测试薄膜热电器件工作在制冷、热泵及发电三种模式下的性能，但不具有测量块体热电元件可靠性功能。

又，文献《computer controlled test system for measuring the parametersof the real thermoelectric module》（R. Ahiska，etc.，《Energy Conversion andManagement》，2011，Volume52，Pages27-36）报道了一种测量热电模块性能的方法，主要用于测试真实热电模块制冷性能有关的参数。

此外，日本真空理工商业化的PEM设备仅能用于测量20mm、30mm方形热电器件的输出功率和转换效率，同样不具有评价元器件可靠性的功能。

因此，本发明着眼于在测量热电元器件基本性能的基础上，通过模拟热电元器件的真实使用工况，在实验室进行加速老化实验快速的评价热电元件的可靠性，并预测其寿命，对开展热电元器件的结构优化设计、材料界面老化机制研究及最终应用有着重要作用。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种热电元器件可靠性评价系统及方法，能够评价热电元器件恒温热持久和高低温热循环工况下的老化性能，通过加速老化实验，对热电元器件的可靠性进行评价，根据性能衰减变化趋势可以预测热电元器件在相应工况下的使用寿命。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种热电元器件可靠性评价系统，包括：具备真空腔体的真空装置；用于装夹待测的热电元器件的样品测试装置，所述样品测试装置位于所述真空腔体内，且包括热源和热沉，所述热电元器件位于所述热源与热沉之间；用于控制所述样品测试装置中的所述热源的温度的热端温度控制装置；用于控制所述样品测试装置中的所述热沉的温度的冷端温度控制装置；与所述热电元器件构成串联连接电路并控制所述热电元器件的电流输出的负载装置；与所述负载装置以及所述热电元器件的冷、热侧相连以采集所述热电元器件的测量信号的多通道数据采集装置；与所述负载装置、多通道数据采集装置和热端温度控制装置相连的控制单元。

本发明的技术方案是通过模拟热电元器件使用工况进行老化试验，当热电元器件两端建立稳定的温差，分别测量热电元器件的伏安特性，采用数据拟合得到热电元器件在该温差下的基本性能（开路电压、内阻及峰值输出功率等），通过监控热电元器件基本特性参数变化，实现对热电元器件的可靠性进行评价。

采用本系统可以评价热电元器件恒温差热持久和高低温热循环工况下的性能变化，通过实验室加速老化实验，最终对热电元件的寿命进行预测，评价过程为全自动控制，避免手动操作误差，有效节省时间，同时评价结果更可靠。

又，在本发明中，也可以是，所述控制单元包括内置评价程序的上位机，所述上位机通过USB转GPIB电缆与所述负载装置、多通道数据采集装置连接，且所述上位机通过USB转RS485接口转换器与所述热端温度控制装置连接。

根据本发明，可有效地通过上位机控制负载装置、多通道数据采集装置及热端温度控制装置的工作。

又，在本发明中，也可以是，所述热端温度控制装置包括温度控制器、控温热电偶、过载检测热电偶、直流电源及温度显示报警器，所述温度控制器通过所述USB转RS485接口转换器与所述上位机连接；优选地，所述温度控制器为PID温度控制器。

根据本发明，通过该热端温度控制装置能够精确控制样品测试装置中热源温度，同时进行过载保护。

又，在本发明中，也可以是，所述冷端温度控制装置包括恒温循环水箱、流量计及水路，所述冷端温度控制装置配置为当循环水的流速未达到预定值时将发出报警信号。

根据本发明，采用该冷端温度控制装置，通过打开恒温循环水箱，并设置好冷端温度值，启动水循环，从而能够控制样品测试装置中热沉温度。

又，在本发明中，也可以是，所述负载装置包括电子负载仪和分流器，所述电子负载仪的输入端子与所述分流器、所述热电元器件构成串联连接电路，且所述电子负载仪通过所述USB转GPIB电缆与所述上位机连接。

根据本发明，电子负载仪输入端子与分流器、热电元器件构成串联连接电路，改变电子负载大小可以使热电元件按照设定的电流输出。

又，在本发明中，也可以是，所述多通道数据采集装置通过GPIB电缆与所述负载装置中的所述电子负载仪相连，所述多通道数据采集装置配置为每触发一次采集即切换不同通道开关完成一次测量。

根据本发明，通过多通道数据采集装置可有效地采集所述热电元器件的测量信号。

又，在本发明中，也可以是，所述真空装置还包括真空泵、压差阀、波纹管、主抽阀、角阀、真空计组成抽气管路连接至所述真空腔体的法兰接口，惰性气体通过进气阀连接至所述真空腔体的法兰接口，优选地，所述真空腔体包括石英钟罩和不锈钢法兰。

根据本发明，可使热电元器件可处在真空、惰性气氛或空气中测量。

又，在本发明中，也可以是，所述测量信号包括所述热电元器件的输出电流和两端电压、P型元件两端电压及N型元件两端电压，以及所述热电元器件的热端温度和冷端温度。

另一方面，本发明还提供一种采用上述热电元器件可靠性评价系统执行的方法，包括：

在制备好的待测的热电元器件的热端导流电极引出测试导线，P型元件冷端导流电极引出测试导线，N型元件冷端导流电极引出测试导线；

将所述热电元器件装夹在位于真空腔体内的样品测试装置上；

连接测试电路，使所述热电元器件与负载装置构成串联回路，且通过多通道数据采集装置采集所述热电元器件的测量信号；

通过冷端温度控制装置控制所述热电元器件的冷端温度值；

控制单元启动评价程序，根据模拟工况选择评价模式；

所述控制单元开始评价，按照设置的采样间隔采集数据，当所述热电元器件处于预设的温差下且判断温度稳定，调用伏安特性测试程序，完成后通过数据处理得到所述热电元器件的基本性能，依此方法完成所述热电元器件在指定工况下的测试过程。

又，在本发明中，也可以是，测量过程中随时查看包括热电元器件、P型元件、N型元件老化性能随热持久时间或热循环次数变化趋势。

最后，测量结束保存所有测试数据至上位机硬盘便于后期查看。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的一实施形态的热电元器件可靠性评价系统的组成及电气连接示意图；

图2是图1所示的系统的热电元器件测量电路连接示意图；

图3是图1所示的系统的热电元器件可靠性评价程序流程图；

图4是实施例1中所述的 CoSb3基填充方钴矿元器件样品在高低温热循环工况下CoSb3器件、P型元件及N型元件性能变化趋势图；

图5是实施例2中所述的 CoSb3基填充方钴矿元器件样品在恒温差热持久工况下CoSb3器件、P型元件及N型元件性能变化趋势图；

附图标记：

1 上位机；

2 热端温度控制装置；

3 冷端温度控制装置；

4 负载装置；

5 多通道数据采集装置；

6 真空装置；

7 USB转GPIB电缆；

8 样品测试装置；

9 USB转RS485接口转换器；

10 GPIB电缆；

11 热源；

12 热端导流电极；

13 热电元件；

14 保温层；

15 冷端电极；

16 陶瓷基板；

17 热沉；

200 热端导流电极测试引线；

201、202、203 P型元件冷端导流电极测试引线；

211、212、213 N型元件冷端导流电极测试引线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种热电元器件可靠性评价系统，包括：具备真空腔体的真空装置；用于装夹待测的热电元器件的样品测试装置，所述样品测试装置位于所述真空腔体内，且包括热源和热沉，所述热电元器件位于所述热源与热沉之间；用于控制所述样品测试装置中的所述热源的温度的热端温度控制装置；用于控制所述样品测试装置中的所述热沉的温度的冷端温度控制装置；与所述热电元器件构成串联连接电路并控制所述热电元器件的电流输出的负载装置；与所述负载装置以及所述热电元器件的冷、热侧相连以采集所述热电元器件的测量信号的多通道数据采集装置；与所述负载装置、多通道数据采集装置和热端温度控制装置相连的控制单元。

图1-图2示出了根据本发明一实施形态的热电元器件可靠性评价系统。具体地，图1是根据本发明的一实施形态的热电元器件可靠性评价系统的组成及电气连接示意图；图2是图1所示的系统的热电元器件测量电路连接示意图。

如图1所示，一种热电元器件可靠性评价系统由上位机1、热端温度控制装置2、冷端温度控制装置3、负载装置4、多通道数据采集装置5、真空装置6及样品测试装置8组成。

在该系统中，上位机1包括控制系统和评价程序，上位机通过USB转GPIB电缆7与负载装置4、多通道数据采集装置5连接，通过USB转RS485接口转换器9与热端温度控制装置2连接。

热端温度控制装置2由PID温度控制器、控温热电偶、过载检测热电偶、直流电源及温度显示报警器组成，能够精确控制样品测试装置8中热源温度，同时进行过载保护，温度控制器通过USB转RS485接口转换器9与上位机连接。

冷端温度控制装置3由恒温循环水箱、流量计及水路组成，能够控制样品测试装置8中热沉温度，且当循环水的流速未达到预定值时将发出报警信号。

负载装置4由电子负载仪和分流器组成，电子负载仪输入端子与分流器、热电元器件构成串联连接电路，改变电子负载大小可以使热电元件按照设定的电流输出，电子负载仪通过USB转GPIB电缆7与上位机1连接。

多通道数据采集装置5通过GPIB电缆10与负载装置4中的电子负载仪相连，分别连接至负载装置4和多通道数据采集装置5的GPIB电缆10再经由USB转GPIB电缆7与上位机1连接，每触发一次采集即切换不同通道开关完成一次测量，测量信号可包括热电元器件输出电流、热电器件两端电压、P型元件两端电压及N型元件两端电压，以及热电器件的热端温度、热电器件的冷端温度。

真空装置6包括真空管路和真空腔体，真空泵、压差阀、波纹管、主抽阀、角阀、真空计组成抽气管路连接至真空腔体法兰接口，惰性气体通过进气阀连接至真空腔体法兰接口，真空腔体由石英钟罩和不锈钢法兰组成，使热电元件可处在真空、惰性气氛或空气中测量。

样品测试装置8位于真空腔体内，用于装夹热电元器件样品，主要包括热源、热沉及固定锁紧结构，其中，样品位于热源与热沉之间，样品热、冷侧各有一根热电偶用于测量样品热端温度和冷端温度。

如图2所示，为热电元器件性能测量电路连接示意图，在样品热端导流电极上引出一根测试导线200，P型元件的冷端电极引出三根测试导线分别为201、202、203，N型元件的冷端电极引出三根测试导线分别为211、212、213，测试线203和213与电子负载、分流器构成串联连接电路，测试线202和212用于测量热电器件两端电压，测试线203和200用于测量P型元件两端电压，测试线213和200用于测量N型元件两端电压，通过切换多通道数据采集开关就可以同时测量热电器件、P型热电元件和N型热电元件的性能。

采用本发明的热电元器件可靠性评价系统的评价方法的一实施形态可按如下步骤进行：

（1）在制备好的热电器件样品上采用焊接方式在热电器件的热端电极引出测试导线200，P型元件冷端电极引出测试导线201、202及203，N型元件冷端电极引出测试导线211、212及213；

（2）将样品装夹在样品测试装置8上，通常在热电器件与热源之间、热沉之间分别垫一层炭纸，且施加一定的压力使其在热端、冷端具有良好的热接触；

（3）在样品周围包裹绝热材料，可以有效的减少对流、辐射带来的侧面漏热，尽可能的使热电器件建立一维传热；

（4）连接测试电路，使热电器件与分流器、负载装置构成串联回路，多通道数据采集装置的第一通道测量分流器两端的电压，第二通道测量热电器件两端的电压，第三通道测量P型元件两端的电压，第四通道测量N型元件两端的电压，第五通道测量热电器件热端温度，第六通道测量热电器件冷端温度；

（5）盖上石英钟罩，使热电元器件可处在真空、惰性气氛或者空气中测量；

（6）打开恒温循环水箱，并设置好冷端温度值，启动循环；

（7）在上位机启动评价程序，根据模拟工况选择评价模式；

（8）开始评价，按照设置的采样间隔采集数据，当样品处于预设的温差下且判断稳定，调用伏安特性测试程序，完成后通过数据处理得到热电元器件的基本特性，依此方法完成热电元器件在指定工况下的测试过程；

（9）测量过程中可随时查看包括热电器件、P型元件、N型元件老化性能随热持久时间或热循环次数变化趋势；

（10）测量结束保存所有测试数据至上位机硬盘便于后期查看。

采用本系统及方法可以评价热电元器件恒温热持久和高低温热循环工况下的老化性能，通过实验室加速老化实验，最终对热电元件的寿命进行预测，评价过程为全自动控制，避免手动操作误差，有效节省时间，同时评价结果更可靠。

图3是图1所示的系统的热电元器件可靠性评价程序流程图的一实施例。如图3所示，首先填写样品名并建立新文件（步骤S1）；接着配置数据采集卡采样通道参数（步骤S2），随后根据实际测量样品配置电子负载仪工作量程（步骤S3）。接着，设置测量热端温度或者热端温度数组，选择高低温热循环评价或者恒温差热持久评价模式，设置高低温循环次数，或者定时测量时间，启动开始程序，测量结束自动保存所有数据。

更具体地，如图3所示，当选择高低温热循环评价模式时，在步骤S4设置测量温度数组；随后在步骤S5至S11开始测量程序。而当选择恒温差热持久评价模式时，在步骤S13设置热端温度和定时测量时间，随后在步骤S14至S20开始测量程序。测量结束时，在步骤S21自动保存所有数据。

以下通过具体实施例进一步详细说明本发明的热电元器件可靠性评价系统。利用本发明提供的评价系统对一种π型CoSb3基填充方钴矿热电元件进行高低温热循环和恒温差热持久两种工况进行评价，其中P型元件形状为直径φ5.6mm的圆柱，N型元件形状为直径φ4.8mm的圆柱，元件长度均为16mm，采用同一批的热电材料，通过热压烧结和钎焊工艺制备两玫热电器件样品。

实施例1：1#热电器件样品用于高低温热循环实验，热端在500℃和200℃之间震荡，控制热循环周期为30min左右，控制冷端温度在15℃左右，经过5000多个循环后分析其性能变化如图4所示。热电元件总开路电压从131mV降至129mV，下降1.5%，其中，P型元件开路电压从75.7mV降至74.7mV，下降1.3%，N型元件开路电压从55.4mV降至54.4mV，下降1.8%；热电元件总内阻从13.372mOhm增加到13.589mOhm，增加1.6%，其中，P型元件内阻从7.731mOhm增加到7.85mOhm，增加1.5%，N型元件内阻从5.591mOhm增加到5.71mOhm，增加2.1%；热电元件峰值功率从321mW降至306mW，下降4.6%，其中，P型元件峰值功率从185.6mW降至178mW，下降4.1%，N型元件峰值功率从137.48mW降至129.947mW，下降5.4%。

实施例2：2#热电器件样品用于恒温差热持久实验，热端控制在530℃，冷端控制在20℃，定时测量周期为1hour，经过1000hours后分析其性能变化如附图5所示。热电元件总开路电压从148.77mV增加到150.695mV，增加1.2%，其中，P型元件开路电压从85.538mV增加到86.33mV，增加0.9%，N型元件开路电压从63.249mV增加到64.381mV，增加1.7%；热电元件总内阻从13.78mOhm增加到14.725mOhm，增加6.8%，其中，P型元件内阻从7.992 mOhm增加到8.567mOhm，增加7.2%，N型元件内阻从5.788mOhm增加到6.156mOhm，增加6.3%；热电元件峰值功率从401.5mW降至385.5mW，下降4.0%，其中，P型元件峰值功率从228.8mW降至217.4mW，下降5.0%，N型元件峰值功率从172.7mW降至168.2mW，下降2.6%。

分析结果显示，当热电元器件热端温度工作于500℃，即使受到热循环冲击，经过5000多个循环后，相对开始性能变化非常小，而当热电元器件热端温度长时间在530℃服役，由于热电材料、界面老化使热电元件性能衰减速度加快，可靠性降低。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种热电元件可靠性评价系统，其特征在于，包括：

具备真空腔体的真空装置（6）；

用于装夹待测的P型、N型热电元件的样品测试装置（8），所述样品测试装置（8）位于所述真空腔体内，且包括热源和热沉，所述P型、N型热电元件位于所述热源与热沉之间；

用于控制所述样品测试装置（8）中的所述热源的温度的热端温度控制装置（2）；

用于控制所述样品测试装置（8）中的所述热沉的温度的冷端温度控制装置（3）；

与包括P型、N型热电元件的热电器件构成串联连接电路并控制所述热电器件的电流输出的负载装置（4）；

与所述负载装置（4）相连且与所述P型、N型热电元件的冷、热端导流电极直接相连以采集所述P型、N型热电元件的测量信号的多通道数据采集装置（5）；

与所述负载装置（4）、多通道数据采集装置（5）和热端温度控制装置（2）相连的控制单元。

2.根据权利要求1所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述控制单元包括内置评价程序的上位机（1），所述上位机（1）通过USB转GPIB电缆与所述负载装置（4）、多通道数据采集装置（5）连接，且所述上位机（1）通过USB转RS485接口转换器与所述热端温度控制装置（2）连接。

3.根据权利要求2所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述热端温度控制装置（2）包括温度控制器、控温热电偶、过载检测热电偶、直流电源及温度显示报警器，所述温度控制器通过所述USB转RS485接口转换器与所述上位机连接；所述温度控制器为PID温度控制器。

4.根据权利要求2所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述冷端温度控制装置（3）包括恒温循环水箱、流量计及水路，所述冷端温度控制装置（3）配置为当循环水的流速未达到预定值时将发出报警信号。

5.根据权利要求2所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述负载装置（4）包括电子负载仪和分流器，所述电子负载仪的输入端子与所述分流器、所述热电器件构成串联连接电路，且所述电子负载仪通过所述USB转GPIB电缆与所述上位机连接。

6.根据权利要求5所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述多通道数据采集装置（5）通过GPIB电缆与所述负载装置（4）中的所述电子负载仪相连，所述多通道数据采集装置（5）配置为每触发一次采集即切换不同通道开关完成一次测量。

7.根据权利要求1所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述真空装置（6）还包括真空泵、压差阀、波纹管、主抽阀、角阀、真空计组成抽气管路连接至所述真空腔体的法兰接口，惰性气体通过进气阀连接至所述真空腔体的法兰接口，所述真空腔体包括石英钟罩和不锈钢法兰。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热电元件可靠性评价系统，其特征在于，所述测量信号包括所述热电器件的输出电流和两端电压、P型热电元件两端电压及N型热电元件两端电压，以及所述P型、N型热电元件的热端温度和冷端温度。

9.一种采用根据权利要求1至8中任一项所述的热电元件可靠性评价系统执行的方法，包括：

制备包括待测P型、N型热电元件的热电器件，并且在热端导流电极引出测试导线，P型热电元件冷端导流电极引出测试导线，N型热电元件冷端导流电极引出测试导线；

将所述P型、N型热电元件装夹在位于真空腔体内的样品测试装置上；

连接测试电路，使热电器件与负载装置构成串联回路，且通过多通道数据采集装置采集所述P型、N型热电元件的测量信号；

通过冷端温度控制装置控制所述P型、N型热电元件的冷端温度值；

控制单元启动评价程序，根据模拟工况选择评价模式；

所述控制单元开始评价，按照设置的采样间隔采集数据，当所述P型、N型热电元件处于预设的温差下且判断温度稳定，调用伏安特性测试程序，完成后通过数据处理得到所述P型、N型热电元件的基本性能，依此方法完成所述P型、N型热电元件在指定工况下的测试过程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

测量过程中随时查看包括热电器件、P型热电元件、N型热电元件老化性能随热持久时间或热循环次数变化趋势。