CN109444605A - 一种半导体制冷片的在线监测电路和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制冷领域，公开了一种半导体制冷片的在线监测电路和监测方法，包括半导体制冷片、开关元件、电压检测电路和控制器；所述半导体制冷片的至少一端通过开关元件和直流电源连接，形成制冷制热回路；当控制开关元件断开所述半导体制冷片的制冷制热回路，所述半导体制冷片和电压检测电路形成检测回路；所述电压检测电路用于检测半导体制冷片两端的电压变化，输出温差电压信号；所述控制器输出检测脉冲信号用于控制开关元件关断半导体制冷片的制冷制热回路，并在关断制冷制热回路初期，读取温差电压信号。本发明通过半导体制冷片自身的特性，检测因塞贝克效应而产生于半导体制冷片两端的温差电压，从而判定半导体制冷片的工作状态。

Description

一种半导体制冷片的在线监测电路和监测方法

技术领域

本发明涉及制冷除湿技术领域，尤其涉及一种半导体制冷片的在线监测电路和监测方法。

背景技术

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

对于开关柜中的电气设备来说，最佳湿度应维持在30％～60％之间，因为湿度如果超过了60％，就容易形成凝露，对电气设备绝缘性能造成不利影响。因为当水汽进入到高压开关柜中，就会被开关柜中的强电磁场，特别是被电缆以及铜排连接处的尖端放电过程电解为氢离子和氧离子，而氧离子与空气中的氧气分子结合发生化学反应，就会产生臭氧，臭氧、弱酸性腐蚀气体对绝缘材料的长时间侵蚀会导致高压开关柜中电气设备绝缘性能下降。此外，水汽还会在绝缘材料的表面凝结成结晶水，造成线路短路，也降低了开关柜的绝缘性能。

目前市售的开关柜用除湿器使用半导体制冷片进行制冷除湿，可在产品内部创造最多可低于环境温度30℃的冷端，并通过风扇迫使柜内相对湿热空气经过冷端，从而在冷端不断产生凝露，持续的凝露最终导致凝水，收集凝水并排出电柜外，从而大大降低了电柜内湿气和水分含量，即使外部环境大幅降温时，由于电柜内水分非常少，也不会再产生凝露，真正保持开关柜内部干燥。

因开关柜除湿的重要性，需要对半导体制冷片的工作状态进行监控。目前对使用中的半导体制冷片是否能够正常工作，一般采用增加检测装置来对半导体制冷片工作线路上的电阻或电流或半导体制冷片的制冷温度进行测量，但都无法同时兼顾有效、准确和低成本的要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体制冷片的在线监测电路，采用尽可能简洁的检测电路，达到有效、准确和低成本的要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体制冷片的在线监测电路，包括半导体制冷片，还包括开关元件、第一电压检测电路和控制器；

所述半导体制冷片和电源连接形成制冷制热回路，所述半导体制冷片和第一电压检测电路连接形成检测回路；

所述开关元件接于所述制冷制热回路以用于关断或闭合所述制冷制热回路；

所述第一电压检测电路用于检测半导体制冷片上的电压变化，并输出第一检测信号；

所述控制器控制所述开关元件以关断或闭合所述制冷制热回路，选择每个关断制冷制热回路的时间跨度中的至少一个作为检测周期，所述控制器在所述检测周期内读取第一检测信号。

半导体制冷片的两端在加载电源时会在半导体制冷片的两侧面形成温差，当关断电源时，半导体制冷片的两侧面的温差会产生可检测的温差电压；通过检测温差电压，形成第一检测信号可以确认半导体制冷片的工作状态。

进一步的，所述开关元件是双组联动开关，所述开关元件包括第一公共端、第一常开端、第一常闭端、第二公共端、第二常开端、第二常闭端，所述电源的正极和负极分别和第一常开端和第二常开端连接；所述检测电路的两输入端分别和第一常闭端和第二常闭端连接；所述半导体制冷片的两端分别和第一公共端、第二公共端连接；所述开关元件用于切换所述半导体制冷片只能被接入所述制冷制热回路或只能被接入检测回路。所述第一电压检测电路用于检测所述半导体制冷片两端的电压差。

进一步的，所述开关元件和所述半导体制冷片串联，与电源连接形成制冷制热回路；所述第一电压检测电路并联于所述开关元件两端；所述半导体制冷片和第一电压检测电路串联，与电源连接形成检测回路。所述控制器通过预置的电源电压和所述半导体制冷片的第二端的电压的差值，获得半导体制冷片两端的电压。

进一步的，所述半导体制冷片的第一端和电源的正极连接，所述半导体制冷片的第二端通过开关元件和电源的负极连接；所述第一电压检测电路并联在开关元件两端。

进一步的，还包括第二电压检测电路，用于检测电源的电压，并输出第二检测信号给控制器；

所述控制器通过比较第二检测信号所对应的电源电压和第一检测信号所对应的半导体制冷片的第二端的电压的差值，获得半导体制冷片两端的电压。

进一步的，所述第一电压检测电路为电阻分压电路。所述第一电压检测电路的第一输入端和半导体制冷片的第二端连接，所述第一电压检测电路的第二输入端和电源的负极连接，通过分压检测电路将待检测的电压降至控制器允许的工作电压范围以内。

进一步的，所述第二电压检测电路为电阻分压电路，所述第二电压检测电路的第一输入端和电源的正极连接，所述第二电压检测电路的第二输入端和电源的负极连接，通过对电源电压的检测，可克服因负载变化造成电源电压波动的影响，影响半导体制冷片温差电压的测量；所述第二电压检测电路和第一所述电压检测电路具有相同的分压比，便于第二电压检测电路和第一电压检测电路的比较计算。

进一步的，所述开关元件为MOS管。MOS管具有较小的导通电阻和大的通过电流。

进一步的，所述控制器读取第一检测信号是在所述检测周期刚开始的1秒内。半导体制冷片的热阻尼系数小，半导体制冷片的温差电压会快速跌落，需要在短时间内采集，以保证测量精度，同时检测时间短，不影响半导体制冷片的工作状态。

本发明还提供了一种半导体制冷片的在线监测电路的监测方法，所述控制器执行控制程序，包括步骤：

步骤S1，断开半导体制冷片的制冷制热回路；

步骤S2，采集第一电压检测电路输出的第一检测信号；

步骤S3，比较第一检测信号和内部阈值，判断半导体制冷片的工作状态；

步骤S4，当判定半导体制冷片的工作状态正常，跳转到步骤S5；当判定半导体制冷片的工作状态异常，跳转到异常处理程序S6；

步骤S5，闭合半导体制冷片的制冷制热回路。

进一步的，所述控制器还包括第二输入端，所述第二输入端用于输入第二检测信号；

所述步骤S2变更为步骤S2’：采集第一电压检测电路输出的第一检测信号；采集第二电压检测电路输出的第二检测信号；

所述步骤S3变更为步骤S3’为：通过第一检测信号和第二检测信号的差值判断半导体制冷片的工作状态。

相对于现有的半导体制冷片的检测，本发明的特点是通过半导体制冷片自身的特性，通过临时断开制冷片的制冷制热回路，检测因塞贝克效应而产生于半导体制冷片两端的温差电压，从而判定半导体制冷片的工作状态；该技术方案所需器件少，成本低，能有效、准确测量半导体制冷片的工作状态。

附图说明

图1是本发明的一个半导体制冷片的在线电压检测电路的示意图。

图2是本发明的另一个半导体制冷片的在线电压检测电路的示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的半导体制冷片的在线电压检测电路的示意图。

图4是图3电路的测试波形图。

图5是图2电路的控制流程图。

图6是图3电路的控制流程图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的一个半导体制冷片的在线电压检测电路的示意图。包括半导体制冷片1、开关K1、第一电压检测电路2和控制器3。开关K1为双组联动开关，包括K1A和K1B，开关K1A的公共端和半导体制冷片的一端连接，开关K1A的常开触点和电源正极VDD连接，开关K1A的常闭触点和第一电压检测电路2的第一输入端连接；开关K1B的公共端和半导体制冷片的另一端连接，开关K1B的常开触点和电源负极VSS连接，开关K1B的常闭触点和第一电压检测电路2的第二输入端连接。

制冷状态：当开关K1A、K1B的公共端和常开触点连接，半导体制冷片1接入电源，形成制冷制热回路，半导体制冷片1开始工作。半导体制冷片1在帕尔贴效应下，在半导体制冷片1的两个侧面产生温差，一边发热一边制冷,在本具体应用中，取其制冷功能，故制冷制热回路以下简称制冷回路，其工作状态以下称为制冷状态。半导体制冷片1热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，半导体制冷片1就能达到最大温差。此时，半导体制冷片1的制冷端的温度可以比周边的环境温度低30℃左右，开关柜的空气经过半导体制冷片1制冷一侧产生凝露，进而凝露形成凝水，并从管道排出，保持开关柜内部的干燥。

检测状态：当开关K1A、K1B的公共端和常闭触点连接，将半导体制冷片1的制冷回路断开，半导体制冷片1停止制冷，半导体制冷片由于两侧温差的存在，在塞贝克效应作用下，形成温差-电压的逆转换，半导体制冷片1的塞贝克效应，可以从几百微伏/℃到几十毫伏/℃。在正常工作一段时间后，半导体制冷片1的制冷端和制热端之间的温差可以达到50-60℃，进而在半导体制冷片1的两端形成上百毫伏以上的温差电压Ua，处于可检测状态。

半导体制冷片1热惯性很小，在撤去工作电流后，会很快恢复热平衡，Ua会从最大值趋同于0，因此需要在开关K1A、K1B断开时，尽快采集半导体制冷片1的温差电压Ua，以保证测试的准确性。

温差电压Ua经第一电压检测电路2后输出第一检测信号Uc输入给控制器3。

当检测完成后，若测试正常则闭合制冷回路，恢复制冷状态。定义整个关断制冷回路的时间跨度为检测周期，控制器3在一个窄的检测周期内或在检测周期的初期进行温差电压Ua的检测，优选的，是在检测周期刚开始的1秒内。

采用双组联动开关可完全断开半导体制冷片1的制冷回路，精确地测量半导体制冷片1的温差电压Ua，但双组联动开关选型不易，或需要通过多个单开关进行组合，成本较高，电路较为复杂，因此需要对该电路做进一步的优化。

如图2所示，本发明的一个较佳实施例的半导体制冷片的在线电压检测电路的框图。图3是图2的进一步优化的半导体制冷片的在线电压检测电路的示意图。

在本较佳实施例中，包括半导体制冷片1、开关K2、第一电压检测电路2和控制器3，半导体制冷片1的第一端和电源正极VDD连接，半导体制冷片1的第二端通过开关K2和电源负极VSS连接，半导体制冷片1的第二端和第一电压检测电路2的第一输入端连接，半导体制冷片1的第二端的待测信号Ub经第一电压检测电路2后输出第一检测信号Uc。

在本实施例中，该第一电压检测电路2为电阻分压电路，具体的，包括电阻R1和电阻R2，电压检测输出信号通过电阻R1和半导体制冷片1的第二端连接，通过电阻R2和电源负极VSS连接，温差电压信号输入到控制器4的模拟输入端。

在参数上，电阻R3和电阻R4的阻值之和要远大于阻值远大于半导体制冷片1的内阻Rs，半导体制冷片1的内阻一般为几十mΩ到几个Ω。

当半导体制冷片1在制冷状态时，开关K2导通，半导体制冷片1的第二端的待测信号Ub为开关K2的压降，待测信号Ub约等于0。当开关K2断开时，电流通向检测回路，电流从电源正极VDD流经半导体制冷片1、电阻R1和电阻R2，到电源负极VSS，该电流最多为几个mA，半导体制冷片1因塞贝克效应产生温差电压Ua可达几百mV甚至1V以上，基于内阻Rs的压降Vs可忽略不计，可认为半导体制冷片1的第二端的电压Ub＝VDD-Ua，通过第一电压检测电路2后输出第一检测信号Uc＝Ub*R2/(R1+R2),通过Uc可获得Ua＝VDD-Ub＝VDD-Uc*(R1+R2)/R2。

当半导体制冷片处于制冷状态时，电源输出大电流；当半导体制冷片处于检测状态时电源输出小电流，因负载变化，电源正极VDD会出现波动，影响测量精度，因此，增加第二电压检测电路4对电源电压的采集，获取第二检测信号Up，Up＝VDD*R4/(R3+R4)。为便于第二电压检测电路4和第一电压检测电路2的比较计算，第二电压检测电路4和第一电压检测电路2具有相同的分压比。此时Ua＝Up*(R3+R4)/R4-Uc*(R1+R2)/R2＝(Up-Uc)*(R1+R2)/R2。

具体实施例的参数：

半导体制冷片的参数：

型号	电流	电压	产冷量	温差	外形尺寸
						TypeNumber	Imax(A)	Umax(V)	Qcmax(W)	ΔTmax(℃)	Dimensions(mm)
TEC-12703	3	12	18	60	40*40*3.6

R1、R3：100kΩ

R2、R4：50kΩ

Up＝VDD*R4/(R3+R4)＝12*50/(100+50)＝4V。

在控制器3的输出端COLD输出检测信号给开关K2，开关K2断开半导体制冷片1的制冷回路后，控制器3开始采集第一检测信号Uc和第二检测信号Up，并和控制器1内部设定的阈值列表进行比较，进而确认半导体制冷片1是否工作异常。当控制器1完成温差电压采集后，控制器1控制开关K2导通，将半导体制冷片1重新接入制冷回路，整个检测过程仅需要很短时间，可以是1秒，也可以是几个毫秒，半导体制冷片1的制冷完全不会受到影响。半导体制冷片1的温差电压Ua一般可持续几秒，为提供快速反应，开关优选的是半导体开关，如MOS管、功率三极管等，在小功率时，即半导体制冷片工作电流不大于1A时，可以是功率三极管；在大功率时，即半导体制冷片工作电流大于1A时，优选为MOS管，控制器1通过控制半导体开关，可以快速断开或导通半导体制冷片1的制冷回路。当然，也可以通过机械开关如继电器等，但开关的断开和闭合所需的时间长，一定程度影响温差电压的采样精度，同时机械开关存在体积大、寿命短和驱动电流大等问题。

图4是图3电路的测试波形图，其中S1为电源波形曲线，S2为待测信号Ub波形曲线，S3为温差电压Ua波形曲线，其中，S3＝S1-S2。

如图5所示的控制流程，具体应用于图2的检测电路。

控制器1的输出端COLD输出控制信号，用于控制开关K2的闭合或关断，控制器1通过输出端COLD输出控制信号导通半导体制冷片1的制冷回路，在半导体制冷片1工作一段时间后，预期半导体制冷片1的两个侧面已达到最大温差，控制器3可以对温差电压Ua进行检测，具体检测过程包括

步骤S1，控制开关K2断开半导体制冷片的制冷回路；

步骤S2，采集第一电压检测电路2输出的第一检测信号Uc；

步骤S3，比较第一检测信号Uc和内部阈值，判断半导体制冷片1的工作状态；

步骤S4，当判定半导体制冷片1的工作状态为正常，跳转到步骤5；当判定半导体制冷片1的工作为异常，跳转到异常处理程序S6；

步骤S5，控制开关K2闭合半导体制冷片的制冷回路。

优选的，如图6所示，具体应用于图3的控制流程。

图3相较于图2，增加了第二电压检测电路4，输出第二检测信号Up，用于检测电源电压。第二电压检测电路4和第一电压检测电路2具有相同的分压比。

具体检测过程包括以下几个步骤：

步骤S1，控制开关K2断开半导体制冷片的制冷回路；

步骤S2’，采集第一电压检测电路2输出的第一检测信号Uc；采集第二电压检测电路4输出的第二检测信号Up；

步骤S3’，通过比较第一检测信号Uc和第二检测信号Up的差值，判断半导体制冷片1的工作状态；

步骤S4，当判定半导体制冷片1的工作状态为正常，跳转到步骤5；当判定半导体制冷片1的工作为异常，跳转到异常处理程序S6；

步骤S5，控制开关K2闭合半导体制冷片的制冷回路。

异常处理程序S6包括而不限于进行状态指示、进行声音示警、进行远程报警信息发送、关闭电源等，这些异常处理处理方式也是常规的监测指示类装置的常规处理方式，于此不再详细展开说明。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体制冷片的在线监测电路，包括半导体制冷片，其特征在于：还包括开关元件、第一电压检测电路和控制器；

所述半导体制冷片和电源连接形成制冷制热回路，所述半导体制冷片和第一电压检测电路连接形成检测回路；

所述开关元件接于所述制冷制热回路以用于关断或闭合所述制冷制热回路；

所述第一电压检测电路用于检测半导体制冷片上的电压变化，并输出第一检测信号；

所述控制器控制所述开关元件以关断或闭合所述制冷制热回路，选择每个关断制冷制热回路的时间跨度中的至少一个作为检测周期，所述控制器在所述检测周期内读取第一检测信号。

2.如权利要求1所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述开关元件是双组联动开关，所述开关元件包括第一公共端、第一常开端、第一常闭端、第二公共端、第二常开端、第二常闭端，所述电源的正极和负极分别和第一常开端和第二常开端连接；所述检测电路的两输入端分别和第一常闭端和第二常闭端连接；所述半导体制冷片的两端分别和第一公共端、第二公共端连接；所述开关元件用于切换所述半导体制冷片只能被接入所述制冷制热回路或只能被接入检测回路。

3.如权利要求1所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述开关元件和所述半导体制冷片串联，与电源连接形成制冷制热回路；所述第一电压检测电路并联于所述开关元件两端；所述半导体制冷片和第一电压检测电路串联，与电源连接形成检测回路。

4.如权利要求3所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述半导体制冷片的第一端和电源的正极连接，所述半导体制冷片的第二端通过开关元件和电源的负极连接。

5.如权利要求4所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：还包括第二电压检测电路，用于检测电源的电压，并输出第二检测信号给控制器。

6.如权利要求3或4或5所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述开关元件为MOS管。

7.如权利要求3或4或5所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述第一电压检测电路为电阻分压电路。

8.如权利要求1所述的半导体制冷片的在线监测电路，其特征在于：所述控制器读取第一检测信号是在所述检测周期刚开始的1秒内。

9.如权利要求1所述半导体制冷片的在线监测电路的监测方法，其特征在于：所述控制器执行控制程序，包括步骤：

步骤S1，断开所述半导体制冷片的制冷制热回路；

步骤S2，采集第一电压检测电路输出的第一检测信号；

步骤S3，比较第一检测信号和内部阈值，判断半导体制冷片的工作状态；

步骤S4，当判定半导体制冷片的工作状态为正常，跳转到步骤S5；当判定半导体制冷片的工作状态为异常，跳转到异常处理程序S6；

步骤S5，闭合所述半导体制冷片的制冷制热回路。

10.如权利要求9所述的半导体制冷片的在线监测电路的监测方法，其特征在于：

所述控制器还包括第二输入端，所述第二输入端用于输入第二检测信号；

所述步骤S2变更为步骤S2’：采集第一电压检测电路输出的第一检测信号；采集第二电压检测电路输出的第二检测信号；

所述步骤S3变更为步骤S3’为：通过第一检测信号和第二检测信号的差值判断半导体制冷片的工作状态。