随着高性能制冷 CCD 成像系统已经成为航天成像式探测的一个重要发展方向，热电制冷作 为一种有效的电子设备冷却方法广泛用于重要部件的主动热控。为了实现热电制冷器工作电流的合 理选择，在分析热电制冷机理的基础上，首先介绍了热电模块的 3 种工作模式(制冷、加热和热电发 电)，同时研究了热电偶内温度分布的一般形式，最后，在第一类边界条件下，针对工作电流对热电制 冷器性能的影响进行了详细分析，并指出了在制冷模式下工作电流的选择范围，发现过小或过大的电 流都将降低制冷器的制冷效果，为今后热电制冷器工作电流的选择提供了参考依据。
一、什么是制冷 CCD
所谓制冷CCD，就是利用一定的制冷技术对CCD芯片进行制冷，让它在较低的温度下进行工作，从而有效的降低暗电流噪声。 由于技术上的原因，目前市面上销售的制冷CCD，绝大部分是进口的制冷CCD,国产厂商中，能够生产制冷CCD的并不多。
二、 工作原理
用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若将电源反接，则接点处的温度相反变化。这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。纯金属的热-电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，效应就大得多。接通电源后，上接点附近产生电子-空穴对,内能减小,温度降低,向外界吸热,称为冷端。另一端因电子-空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差，即冷端温度可达-10～-20℃。增加热电堆级数即可使两端的温差加大。
在目前的热电致冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋料锭。热电材料的制备方法通常是区域熔化法或者粉末压制成型法。
电致冷器结构示意图
从上面的半导体结构示意图中可以知道，电偶臂材料分别采用了p型和n型碲化铋。这种布局方式下，电流在p型和n型电偶臂里上下流动的过程中，热流方向能始终保持不变，在n型材料中，热流方向与电流方向相反;在P型材料中，热流方向与电流方向相同。一个p型和一个n型电偶臂组成一对温差电偶对，大多数热电致冷器是由相同数量的n型和p型电偶臂所组成的。上图的模型是由两对p型和n型电偶臂构成的两对温差电偶对，通过合理的串联结构，可以组合成不同对数的半导体致冷器。
三、安装方法
致冷器的安装方法一般有三种：焊接、粘合、螺栓压缩固定。在生产上具体用那一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉，将制冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下就是三种安装的操作过程。
1、焊接
焊接的安装方法要求制冷器件外表面必须是金属化，储冷板和散热板也必须能够上焊料(如：铜材的储冷板或散热板)安装时先将储冷板、散热板、制冷器进行加温(温度和焊料的熔点差不多)，在各安装表面都熔上约70℃～110℃之间的低温焊料0.1mm。然后将制冷器件的热面和散热板的安装面，制冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触并且旋转挤压，确保工作面的接触良好后冷却，该安装方法较复杂，不易维修，一般应用在较特殊的场合。
2、粘合
粘合的安装方法是用一种具有导热性能较好的粘合剂，均匀的涂在制冷器件、储冷板、散热板的安装面上。粘合剂的厚度在0.03mm，将制冷器的冷热面和储冷板、散热板的安装面平行的挤压，并且轻轻的来回旋转确保各接触面的良好接触，通风放置24小时自然固化。该安装方法一般应用在想永久的把制冷器固定在散热板或储冷板的地方。
3、螺柱压缩固定
螺柱压缩固定的安装方法是将制冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。然后将制冷器件的热面和散热板的安装面、制冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转制冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、制冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。
以上三种安装方法为了能够达到最佳的制冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。
四、 制冷 CCD特点
随着电子元器件体积的缩小以及性能和速度的 不断提高，芯片的能耗和发热量也越来越大。过高的温度将使元器件承受过量的热膨胀应力，导致其结构被破坏而失效，甚至烧毁元器件;芯片功率密度的分布不均还会产生所谓的局部热点。 据统计，超过55%的电子设备失效是由于温度过高引起的。随着温度的升高，元器件的失效率呈指数增加，在不同程 度上降低了电子设备的可靠性 。 对空间望远镜而言，降低 CCD 等电子元器件的工作温度有利于减小暗噪声，提高灵敏度，保证其探测能力。 因此，有必要对电子设备的耗热元器件以及整机或系统采用合适的冷却技术，以便对其温度进行控制，从而保证电子设备或系统正常工作。
对于电子部件，尤其是高功率密度集成电路部件的制冷， 传统的散热技术不能满足芯片发热量日益增长的要求，而热电制冷则具有诸多突出的优点， 如：结构简单、无活动部件、安装方向不受重力影响、 无噪声、 无污染、 可靠性高、 寿命长、 启动快、 控制灵活、成本低、功耗低等 。因此，热电制冷技术对电子元器件来说是很好的选择。 姬鹏先、时阳等人基于工作电压范围的选择对热电制冷器的变工况特性进行了分析 。 在深刻分析热电制冷机理的基础上，指出了热电模块 (TEM) 的 3 种工作模式， 并详细分析了热电模块工作在制冷模式下的电流情况。
在一些中小功率热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，半导体致冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，半导体致冷器也并不能应用在所有的领域，但是与其他制冷设备相比，热电致冷器具有很多优势。其中包括：
可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电致冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力。
同一器件可以满足升温和降温的要求：热电致冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。
精确的温度控制：由于热电致冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1 ℃范围内精确地控制温度。
高可靠性：由于全部为固态基构造，热电致冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用条件有关，但是典型热电致冷器的寿命一般可以达到200,000小时以上。
电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电致冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。
可以在任意角度下工作：热电致冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。
简单方便的能源供给：热电致冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。
