一种热电直流稳压器制造技术

本发明专利技术公开一种热电直流稳压器，包括初级回路及次级回路；初级回路连接电源，初级回路包括发热元件及占空比可控的开关元器件，开关元器件与发热元件形成电连接，开关元器件控制发热元件的热功率；次级回路包括半导体电臂，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接，半导体电臂设置至少一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，半导体电臂的故意非均匀掺杂段吸热转换为电能并输出。本发明专利技术基于非均匀掺杂半导体的热电转换实现稳压输出，其结构简单，且热电转换效率较高。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及半导体热电转换
，尤其是指一种热电直流稳压器。

技术介绍

现有技术中，稳压器一般有两种：一种为采用电阻分压的方式，即采用线性方式来调压。其缺陷在于：分压方式往往只能降压，而且功率损耗较大；磁芯稳压器体积大，重量大，材料消耗多。
另一种为类似变压器，如PWM方式的DC/DC稳压器等，借助交变电流或脉冲电流，以变化的电流为基础配合相应电容、电感元件进行电压变换。其缺陷在于：以变化电流为基础的DC/DC稳压器，其输出电流需要经过整流、滤波等，才能输出波形较为平直的稳态电流，然而，即便采取所述措施，其输出仍然存在波动；DC/DC稳压器需要配合相应的电容、电感元件，电路比较复杂，且不适宜大功率场合；DC/DC稳压器往往需要至少数十KHz，甚至数百K，乃至数MHz的开关频率，频率水平较高，电磁干扰比较严重。
有鉴于此，本专利技术基于非均匀掺杂半导体的热电转换装置，本身既可以实现电能→热能的转换，也可以实现热能→电能的转换，两者相结合，可以实现电功率的转移，进而可以实现输出端电压的调控，开关频率较低，干扰小，本案由此产生。

技术实现思路

本专利技术的目的在于提供一种热电直流稳压器，基于非均匀掺杂半导体的热电转换实现稳压输出，其结构简单，且热电转换效率较高。
为达成上述目的，本专利技术的解决方案为：
一种热电直流稳压器，包括初级回路及次级回路；初级回路连接电源，初级回路包括发热元件及占空比可控的开关元器件，开关元器件与发热元件形成电连接，开关元器件控制发热元件的热功率；次级回路包括半导体电臂，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接，半导体电臂设置至少一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，半导体电臂的故意非均匀掺杂段吸热转换为电能并输出。
进一步，发热元件的直流电阻值，与初级回路中与之串接处于参考电压节点之内的其它电路部分的等效直流电阻值之比大于等于4。
进一步，导热连接的半导体电臂以及发热元件外围包覆隔热层，同时，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接处，以及半导体电臂和发热元件端部连接导线外部也包覆隔热层。
进一步，隔热层内部填充电绝缘导热材料。
进一步，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接的形式包括相互层叠，或者为相互扭转，或者为相互卷绕，或者为相互靠近；半导体电臂和发热元件沿宏观电流方向是直线，或弧线，或折线，或者盘绕螺旋线形状。
进一步，半导体电臂和发热元件与二者之间的绝缘导热介质连接的接触表面为平整面，或者为锯齿状，或者为梳妆，或者为凹凸形状的相互契合的结构。
进一步，故意非均匀掺杂段为半导体属性从N到P或从N+到N-，或从P-到P+单调变化的半导体属性分布状态。
进一步，隔热层内部贴紧半导体电臂的位置设置温度敏感的模拟前端或者温度监测芯片。
进一步，与同一个发热元件进行绝缘导热连接的半导体电臂配置为相互层叠的两层或两层以上；各层半导体电臂之间实现热连接；各层半导体电臂全部或部分进行电连接之后输出；更靠近发热元件的前一层半导体电臂在工作过程中的全部或部分放热部位，与更远离发热元件方向的另一侧的绝缘导热介质接触。
进一步，在单独降压应用时，通过掺杂处理，配置半导体电臂的输出电压，在预设占空比范围内，低于发热元件两端的输入电压；在单独升压应用时，在预设占空比范围内，通过掺杂处理，配置半导体电臂的输出电压高于输入电压；既需要实现降压也需要实现升压的应用，通过掺杂处理，使得预设占空比范围内划分为两个区域，其中占空比更大的范围内，半导体电臂故意非均匀掺杂段的输出电压高于输入电压，占空比更小的范围内，半导体电臂故意非均匀掺杂段的输出电压低于输入电压。
进一步，在热电直流稳压器内部或者外部电路中配置电压检测元件和电路，配置主控元件和电路，配置驱动电路；电压检测电路采集次级回路的输出电压信号，传输给主控元件，主控元件计算出实际电压值，与预设的所需稳压值范围进行比较，并据此调整对开关器件的控制信号，直接或通过驱动电路调整开关器件的占空比和频率，通过调整，使得热电直流稳压器的输出电压满足预设水平；初始输出电压较低时，调大占空比，反之则调小占空比。
采用上述方案后，本专利技术初级回路连接电源，电流通过发热元件使其产生热量，而发热元件与半导体电臂绝缘导热连接，半导体电臂设置至少一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换，半导体电臂的故意非均匀掺杂段吸热转换为电能并输出。
同时，在初级回路中设置占空比可控的开关元器件，通过调整初级回路的导通时长占空比，调整有效平均输入电功率的大小。导通占空比越大，电路的平均导通时长越长，则对应的电功率输入水平越高，发热元件释放的热功率越大，允许次级回路的电功率输出值越高；反之则输出电功率越小。因此，可以通过调整初级回路的导通时长占空比维持稳定的次级电压输出。
半导体电臂的故意非均匀掺杂段，可以分解为节点热电势落差和故意非均匀掺杂段热电势落差两个基本部分，其中配置故意非均匀掺杂段产生的热电势落差+ΔEc与输出电压同向，而节点热电势落差ΔEa和ΔEb有可能都是抵抗电压，同时取负值，也可能分别取正值和负值。整体输出电压U=ΔEc-(ΔEa+ΔEb)，或U=ΔEc-(ΔEa-ΔEb)，或U=ΔEc-(-ΔEa+ΔEb)。
半导体电臂可以配置一个放热节点，另一个节点和故意非均匀掺杂段都作为吸热部位，热电势落差的方向与最终电压方向一致，因此抵抗电压的比例减小，转换效率及功率得以提高。同时，半导体电臂依靠自身半导体属性分布，在连接节点较长的距离内实现热电势总落差值ΔEc，比连接节点依靠材质差异形成的短距离半导体属性突变所形成的热电势落差ΔEa或ΔEb的绝对值更大，抵消之后留存下来的电压值更高，输出电压、功率、转换效率都更高。
因此，本专利技术基于非均匀掺杂半导体的热电转换实现稳压输出，其结构简单，且热电转换效率较高。
附图说明
图1为本专利技术的结构示意图；
图2a为本专利技术发热元件与半导体电臂绝缘导热连接示意图一；
图2b为本专利技术发热元件与半导体电臂绝缘导热连接示意图二；
图2c为本专利技术发热元件与半导体电臂绝缘导热连接示意图三。
标号说明
初级回路1发热元件11
开关元器件12次级回路2
半导体电臂21隔热层3
绝缘导热层4。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本专利技术做详细描述。
参阅图1至图2c所示，本专利技术揭示的一种热电直流稳压器，包括初级回路1及次级回路2。
初级回路1连接电源，初级回路1包括发热元件11及占空比可控的开关元器件12，开关元器件12与发热元件11形成电连接，开关元器件12控制发热元件11的热功率。
发热元件11具备直流电阻值Rr，在初级回路导通时，电流流经发热元件11产生热量。为了提高效率和控制精度，发热元件11阻值Rr与电路中其它所有元件包括导线的电阻值Rs之间的比值大于等于4，即发热元件11的直流电阻值Rr所消耗电功率占整个电源输入电功率的比例大于等于80%，比值较小意味功率损耗过大，效率过低，且占空比调整对发热功率的影响不够明显，精度变差。
发热元件11可以设置为多个，相互之间可以为并联或串联，或者串联与并联混合的方式进行电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电直流稳压器，其特征在于：包括初级回路及次级回路；初级回路连接电源，初级回路包括发热元件及占空比可控的开关元器件，开关元器件与发热元件形成电连接，开关元器件控制发热元件的热功率；次级回路包括半导体电臂，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接，半导体电臂设置至少一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，半导体电臂的故意非均匀掺杂段吸热转换为电能并输出。

【技术特征摘要】
1.一种热电直流稳压器，其特征在于：包括初级回路及次级回路；初级回路连接电源，初级回路包括发热元件及占空比可控的开关元器件，开关元器件与发热元件形成电连接，开关元器件控制发热元件的热功率；次级回路包括半导体电臂，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接，半导体电臂设置至少一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，半导体电臂的故意非均匀掺杂段吸热转换为电能并输出。
2.如权利要求1所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：发热元件的直流电阻值，与初级回路中与之串接处于参考电压节点之内的其它电路部分的等效直流电阻值之比大于等于4。
3.如权利要求1或2所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：导热连接的半导体电臂以及发热元件外围包覆隔热层，同时，半导体电臂与发热元件绝缘导热连接处，以及半导体电臂和发热元件端部连接导线外部也包覆隔热层。
4.如权利要求3所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：隔热层内部填充电绝缘导热材料。
5.如权利要求1或2所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：半导体电臂与发热元件绝缘导热连接的形式包括相互层叠，或者为相互扭转，或者为相互卷绕，或者为相互靠近；半导体电臂和发热元件沿宏观电流方向是直线，或弧线，或折线，或者盘绕螺旋线形状。
6.如权利要求1或2所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：半导体电臂和发热元件与二者之间的绝缘导热介质连接的接触表面为平整面，或者为锯齿状，或者为梳妆，或者为凹凸形状的相互契合的结构。
7.如权利要求1或2所述的一种热电直流稳压器，其特征在于：故意非均匀掺杂段为半导体属性从N到P或从N+到N-，或从P-到P+单调变化的半导体属性分布状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶磊，
申请(专利权)人：厦门兰智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35