【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及设备控制，更具体地，涉及一种基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温系统和方法。
技术介绍
1、随着电子器件的集成化和小型化程度不断提高，散热问题愈加突出，严重制约了电子器件的性能与可靠性。近年来，热电制冷器(thermoelectric cooler，tec)在主动热管理领域展现出极大的潜力。tec是一种基于帕尔贴效应的主动散热控温装置，可以实现热量的定向输运与主动制冷。tec具有结构微型化、控温精度高、响应速度快、冷却功率密度高、无运动部件等优点，在制冷和精确温度控制领域得到了广泛运用。
2、目前，在室温附近工作的热电材料的zt最大值长期停滞在1.0，并促使商业应用的单级tec在室温附近的最大温差一直在70k附近徘徊。同时，器件的最大制冷功率密度取决于材料性能与器件的结构设计，受限于加工与封装工艺的限制，常规的商用器件最大稳态制冷功率密度也一般在10w/cm2以下。由于最新的激光芯片、大功率功率芯片的短时脉冲功率高达50w/cm2以上，同时，电子器件的热负荷是动态变化的，因此现有tec稳态制冷能力难以满足超大功率芯片的短时控温需求。
3、在实际应用中相较于稳态制冷模式，tec的瞬态制冷模式(瞬态脉冲过冷)更值得关注。当施加高于最佳稳态电流的电流脉冲时，由于帕尔贴热的高响应率和体积焦耳热的低扩散速度会形成瞬态脉冲过冷效应，可以突破材料性能的限制，获得远超稳态运行时的毫秒级响应速度、制冷密度和制冷温差，有望广泛应用于电子器件的动态精确控温。
4、一直以来，人们对电流脉冲影响瞬态过冷特性
5、例如，专利申请cn1453674a公布了一种用于热电制冷器的高精度温度控制电路，该方案的pid控制器将温度设定信号与采集温度信号相比较，其差分信号经过pid运算产生tec控制信号，送入功率驱动器，从而驱动tec控温。又如，专利申请cn105607675a和cn204832991u等都是采用以传统pid控制为核心，但是这种控制策略的输出都是被限制在稳态最佳电流以下，没有触发瞬态过冷效应，导致tec抵抗热负载能力有限和控温精度不足。
6、综上，热电瞬态过冷可以突破材料性能的限制，获得远超稳态时的制冷性能，在高功率电子器件的主动热管理有着巨大的潜力。目前针对电流脉冲影响瞬态过冷特性的研究都停留在预设固定的电流上。然而，实际运行工况下温度和热负载是动态变化的，尚未形成瞬态运行模式下tec的完整控制策略，从而严重制约了瞬态过冷效应的广泛实际运用。此外，为了确保tec在安全范围内正常运行，通常需要在控制器输出增加电流限幅环节，防止器件温度失控和损坏。现有采用稳态最大制冷量对应的最佳电流作为限幅值，存在控温滞后性与制冷能力局限等不足。因此，还急需一种可以抵抗超大热负载和控温精度高的tec瞬态控制策略。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温系统和方法。
2、根据本专利技术的第一方面，提供一种基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温系统。该系统包括：温度检测单元、热负载监测单元、限幅输出单元、功率输出单元、热电制冷器、pid控制器、瞬态脉冲控制器和前馈控制器；其中：
3、所述温度检测单元用于获取所述热电制冷器的冷端温度信息；
4、所述热负载监测单元用于监测所述热电制冷器的热负载信息；
5、所述pid控制器以将所述热电制冷器的冷端温度控制在目标温度为优化目标，利用所述冷端温度信息调控输出第一电流；
6、所述瞬态脉冲控制器基于所述热负载信息调控限幅电流；
7、所述前馈控制器基于所述热负载信息调节超前调控电流，输出第二电流；
8、所述限幅输出单元根据所述瞬态脉冲控制器产生的限幅电流，将第一电流和第二电流的总电流输出限幅提升至该限幅电流之内；
9、所述功率输出单元用于基于所述限幅输出单元产生的电流驱动所述热电制冷器。
10、根据本专利技术的第二方面，提供基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温方法。该方法包括：
11、获取热电制冷器的冷端温度信息以及热负载信息；
12、以将所述热电制冷器的冷端温度控制在目标温度为优化目标，利用所述冷端温度信息调控pid控制器输出第一电流；
13、基于所述热负载信息调控限幅电流，获得瞬态脉冲控制器对应的限幅电流；
14、基于所述热负载信息调节超前调控电流，获得前馈控制器输出的第二电流；
15、根据所述瞬态脉冲控制器产生的限幅电流，将第一电流和第二电流的总电流输出限幅提升至该限幅电流之内；
16、基于所述限幅输出单元产生的电流驱动所述热电制冷器。
17、与现有技术相比，本专利技术的优点在于，为解决针对热电制冷器(tec)在超大热负载下的自适应精确控温问题，提出了基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温策略，该控制策略由pid控制、瞬态脉冲控制和前馈控制等环节组成。通过引入瞬态过冷效应，可以显著提高tec抵抗热负载能力，并且前馈控制可以超前调控，进一步提高了控温精度与稳定性。本专利技术为tec瞬态过冷效应的实际运用和高功率电子器件精确控温提供了重要的参考价值。
18、通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
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1.一种基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温系统，包括：温度检测单元、热负载监测单元、限幅输出单元、功率输出单元、热电制冷器、PID控制器、瞬态脉冲控制器和前馈控制器；其中：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PID控制器的输出电流表示为：：
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述瞬态脉冲控制器的输出表示为：
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述脉冲幅值P(t)的多项式系数根据以下步骤获得：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前馈控制器的输出表示为：
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PID控制器，所述瞬态脉冲控制器和所述前馈控制器设置在主控数字芯片上，该主控数字芯片针对多个任务同时并行处理。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述功率输出单元包含D/A转换模块和功率放大器，所述D/A转换模块用于将所述主控数字芯片产生的数字电流信号，转换成连续的电流模拟信号，并传递至所述功率放大器；所述温度检测单元包含温度传感器和A/D转换模块，所述温度传感器放置在
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主控数字芯片是DSP或FPGA芯片；所述温度传感器是热电偶、热敏电阻或热电堆传感器；所述功率放大器采用晶体三极管功率模块或MOS集成功率模块。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述系统的热电制冷器自适应控温方法，包括：
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求9所述的方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于瞬态过冷的热电制冷器自适应控温系统，包括：温度检测单元、热负载监测单元、限幅输出单元、功率输出单元、热电制冷器、pid控制器、瞬态脉冲控制器和前馈控制器；其中：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述pid控制器的输出电流表示为：：
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述瞬态脉冲控制器的输出表示为：
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述脉冲幅值p(t)的多项式系数根据以下步骤获得：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前馈控制器的输出表示为：
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述pid控制器，所述瞬态脉冲控制器和所述前馈控制器设置在主控数字芯片上，该主控数字芯片针对多个任务同时并行处理。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿恒，凌奕锋，李娟，冯江河，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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