李仁明，楊永康，蘇建軍

（湖北省齊星汽車車身股份有限公司技術(shù)中心，湖北 隨州 441300）

半導體車載冰箱電氣控制故障分析及改進

李仁明，楊永康，蘇建軍

（湖北省齊星汽車車身股份有限公司技術(shù)中心，湖北 隨州 441300）

介紹帕爾貼效應、半導體車載冰箱的工作原理，詳細分析某車載冰箱的電氣原理、制冷和制熱電路電流分析，指出了該24V車載冰箱能在12V電源上正常工作的真正原因，并提出了電路改進方案。

帕爾貼；車載冰箱；MC34063

某外貿(mào)公司返回一臺故障車載冰箱和一塊故障冰箱電路板，其額定電壓為DC24 V，裝在重型載貨汽車上使用。該冰箱為半導體車載冰箱，主要出口國外，現(xiàn)用戶要求在該冰箱前增加一個24 V-12 V的DC/DC降壓器。筆者覺得很奇怪：額定電壓24 V的產(chǎn)品為什么要在前面加一個降壓器將電壓降為12 V呢？

1 半導體冰箱工作原理

當直流電通過2種不同導電材料構(gòu)成的回路時，結(jié)點上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)場，這是法國物理學家帕爾貼（Jean Peltier）最早發(fā)現(xiàn)的，1834年首次發(fā)表在法國《物理和化學年鑒》上。這種現(xiàn)象后來被稱為“帕爾貼效應”[1］。

半導體車載冰箱就是利用某種特殊半導體材料構(gòu)成的P-N結(jié)產(chǎn)生帕爾貼效應來工作的：當一塊P型半導體和一塊N型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時通直流電后，電流由P型元件流向N型元件時接頭處放熱，成為熱端；反之，電流由N型元件流向P型元件時接頭處吸熱，成為冷端[1］。吸收和放出的熱量大小由通過的電流大小和P、N型半導體元件的對數(shù)決定。因此，只要改變這個電路的電流方向，就可實現(xiàn)冷熱端互換，即同一端既可制冷，又能轉(zhuǎn)成制熱。因其無壓縮機，工作時無振動、無噪音、體積小、成本低，很適合車載冰箱使用。

因生產(chǎn)廠家不提供技術(shù)資料，為搞清其故障原因及用戶要求的合理性，筆者將該冰箱拆開、測繪，經(jīng)查找相關(guān)資料和研究，分析結(jié)果如下。

2 車載冰箱電氣原理

車載冰箱電氣原理見圖1?？刂齐娐返碾娫床糠钟蒑C34063集成電路芯片及外圍電路組成降壓型變換器。MC34063是一種開關(guān)型高效DC/DC變換集成電路，外圍元件少。其6號腳為電源+端；4號腳為搭鐵；2號腳為開關(guān)管發(fā)射極引出端；5號腳為電壓比較器反相輸入端，同時也是輸出電壓取樣端，由電阻R2、R3的比值確定2腳的輸出電壓；C2為定時電容；7號腳為負載峰值電流取樣端。本電路輸入電壓范圍為2.5～40 V，輸出電壓為1.25～40 V。經(jīng)測量：R3的阻值為2.2 kΩ，R2的阻值為13 kΩ。因此本電路的2腳輸出電壓為：U2=（1+ R2/ R3）×1.25=8.6 V[2］。實際測量結(jié)果與此相同。

電源部分電路電流路徑為：DC24 V+ →NTC熱敏電阻器→二極管D1→MC34063集成電路6號腳→2號腳（輸出電壓約8.6 V）→電感L1→T1觸點86。當K1電源開關(guān)擋位撥到ON擋時，電流分成3路。

第1路為：T1觸點86→觸點85→插接點2→K1電源開關(guān)ON→插接點3→搭鐵→DC24 V- 形成回路，此時T1觸點30與87接通。電流從：DC24 V+ →NTC熱敏電阻器→T1繼電器觸點30→T1觸點87給T2、T3觸點提供24 V電壓。

第2路為：T1觸點86→T2、T3、T4、T5觸點86→觸點85→……，即給這4個繼電器線圈供電。

第3路為：T1觸點86→電容C5+→插接點1→W1冷暖轉(zhuǎn)換電位器中間觸點→R26→R25→K1電源開關(guān)ON→插接點3→搭鐵→DC24 V- 形成回路，R25兩端的電壓決定三極管Q1是導通還是截止，從而控制繼電器T2、T3是否工作。

同時，冰箱接通DC24 V電壓后：DC24 V+ →NTC熱敏電阻器→UCC→D10穩(wěn)壓管→R5→R4→搭鐵→DC24V-，給Q2三極管基極提供偏置電壓，使Q2導通，進而使T4、T5繼電器工作，其觸點30與87接通，冰箱工作。當K1電源開關(guān)擋位撥到OFF擋時，T1繼電器不工作，其觸點30與87斷開，負載無電，冰箱不工作。

3 車載冰箱制冷電路分析

當W1冷暖轉(zhuǎn)換電位器中間觸點旋至W1最右側(cè)時，W1短路，R25上壓降最大，使Q1飽和導通。此時T2、T3繼電器工作，觸點30與87接通，此時冰箱處于制冷狀態(tài)。車載冰箱制冷狀態(tài)的電流路徑見圖2。

具體路徑為：DC24 V+ →NTC熱敏電阻器→T1觸點30→T1觸點87→T3觸點87→T3觸點30 T2觸點30→T2觸點87→搭鐵→DC24V-，形成回路。

其中帕爾貼組件一與帕爾貼組件二為冰箱內(nèi)制冷源，風扇1、風扇2將帕爾貼組件產(chǎn)生的熱量吹走，給冰箱散熱用。

可以看出帕爾貼組件二與風扇1、風扇2并聯(lián)后再與帕爾貼組件一串聯(lián)接在24 V直流電源上，2組帕爾貼組件及風扇的工作電壓實際上是12 V。

K2強弱轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到弱擋時，電阻R23、R24串入到電路中，降低了電流，因此制冷效果較弱。反之，K2開關(guān)撥到強擋時，將電阻R23、R24短路，電路電流較大，制冷效果較強。

車載冰箱制冷片（帕爾貼組件）一般采用TEC1-12 704或TEC1-12 705，其額定電壓為12 V，最大工作電壓為15.5 V[1］。

4 車載冰箱制熱電路分析

當W1冷暖轉(zhuǎn)換電位器中間觸點旋至W1最左側(cè)時，W1阻值全部接入電路，R25上分壓很小，使Q1截止。T2、T3繼電器不工作，冰箱處于制熱狀態(tài)。冰箱制熱狀態(tài)的電流路徑見圖3。

具體路徑為：DC 24 V+→NTC熱敏電阻器→T1觸點30→T1觸點87→T2觸點87a→T2觸點30T3觸點30→T3觸點87a→搭鐵→DC24 V-，形成回路。

圖2 車載冰箱制冷狀態(tài)電流路徑圖

圖3 車載冰箱制熱狀態(tài)電流路徑圖

同前面制冷狀態(tài)比較，兩者的區(qū)別在于：制熱與制冷通過2個帕爾貼組件時電流相反。但經(jīng)過4個二極管整流后2個風扇的電流方向卻相同，即風扇一直處于吹風散熱狀態(tài)。

5 故障冰箱原因分析

檢查返回的那臺故障車載冰箱電路，接通DC24 V電源后，制熱指示燈點亮，風扇工作，冰箱一直制熱不能制冷。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)W1冷暖轉(zhuǎn)換電位器旋鈕可360°旋轉(zhuǎn)，應屬用戶野蠻操作將W1電位器損壞所致。更換電位器后，冰箱可正常制冷。但檢查總電流時，發(fā)現(xiàn)其電流高達10.3 A，而正常工作時的電流應為4 A左右。檢查發(fā)現(xiàn)2個帕爾貼組件兩端的工作電壓均為24 V，可見電路板工作不正常。進一步檢查，發(fā)現(xiàn)Q2三極管損壞。更換該三極管后，檢查總電流，發(fā)現(xiàn)電流變?yōu)?.4 A，即使工作電壓升高到30 V，其工作電流變化也不大，車載冰箱故障排除?，F(xiàn)在分析Q2三極管損壞后的冰箱負載的電流路徑，如圖4所示(此時T4、T5繼電器不工作) 。

圖4 車載冰箱發(fā)生故障后的制冷狀態(tài)電流路徑圖

具體為：DC24 V+ →NTC熱敏電阻器→T1觸點30→觸點87→T3觸點87→T3觸點30→→T2觸點30→T2觸點87→搭鐵→DC24 V-，形成回路。

此時可以看出，2個帕爾貼組件與2個風扇并聯(lián)，直接接在24 V直流電源上，超過了帕爾貼組件的最大工作電壓(15.5 V)，時間過長會損壞。

將帶回的那塊故障冰箱電路板換到冰箱上，通電后發(fā)現(xiàn)制冷、制熱指示燈都不亮，冰箱不工作。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)屬MC34063集成電路芯片損壞，更換后一切工作正常。

6 在DC12V電壓時冰箱的工作情況

客戶為什么會提出加一個降壓器將電壓降為12 V呢？筆者做了個簡單試驗：在冰箱內(nèi)放一瓶（250 ml）室溫自來水，室內(nèi)環(huán)境溫度30.6 ℃，接在24 V直流電源上，K2強弱轉(zhuǎn)換開關(guān)為弱，30 min時冰箱內(nèi)的溫度降為14.6 ℃，瓶內(nèi)水溫降為25.0 ℃。將該冰箱斷電敞開1 h后，換另一瓶同樣體積室溫自來水（環(huán)境溫度30.5 ℃），接在12 V直流電源上，K2強弱轉(zhuǎn)換開關(guān)仍為弱，冰箱也能正常工作，30 min時冰箱內(nèi)的溫度為14.4 ℃，此時水溫也為25.0 ℃。溫度測量采用同一只電子遠程數(shù)字溫度計進行，其溫度傳感器通過導線放在冰箱內(nèi)，顯示屏放在冰箱外面方便讀數(shù)?？磥肀湓?2 V和24 V電壓下工作沒有區(qū)別。

前文章節(jié)2介紹：該車載冰箱控制電路電源部分由MC34063集成電路芯片控制，在輸入電壓2.5～40 V范圍內(nèi)，輸出電壓只由電阻R2、R3的比值來確定。在輸入電壓為24 V和12 V時，MC34063的2號腳的輸出電壓均為8.6 V，給所有的繼電器線圈及三極管正常供電。

冰箱接通DC12 V電壓后，DC12 V+ →NTC熱敏電阻器→UCC→D10穩(wěn)壓管→R5→R4→搭鐵→DC12V-，形成回路，R4兩端的電壓給Q2三極管基極提供偏置電壓。此時流過D10穩(wěn)壓管的電流很小幾乎為0（在24 V供電時測得的D10穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為15 V，因此此時電源電壓尚未將穩(wěn)壓管反向擊穿），Q2三極管截止，T4、T5繼電器不工作，其常閉觸點接通。此時冰箱的工作情況就同章節(jié)5分析的情況一樣，只不過電源電壓由24 V變成了12 V，即2個帕爾貼組件與2個風扇并聯(lián)直接接在12 V直流電源上，其工作電流及制冷量與正常接在24 V直流電源上時完全相同，冰箱制冷片和風扇都處于正常工作狀態(tài)!

因此，這個冰箱雖然要求是在24 V電壓下工作，但其實在12 V和24 V電壓下都能正常工作，而且在12 V時電壓低，其電源部分電氣元件的可靠性更好?？蛻粢彩墙?jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)冰箱可在12 V電壓下工作且不容易損壞，才提出要在冰箱前增加一個24 V-12 V的DC/DC降壓器的。

7 冰箱電路的改進

結(jié)合故障冰箱損壞情況，為提高其可靠性，提出如下改進方案。

1）針對MC34063集成電路芯片損壞，可在MC34063芯片6號腳和搭鐵之間增加一個TVS二極管（瞬態(tài)電壓抑制二極管）?？蓪φ嚿系碾姶砰y、電機等感性電器件工作（主要是接通、斷開瞬間）產(chǎn)生的尖峰電壓和其它的浪涌電壓對電源芯片進行保護。

2）簡化電路，取消T4、T5繼電器和Q2三極管及偏置電路（即12 V/24 V轉(zhuǎn)換電路），其可靠性會大大提高。改進后的電氣原理圖見圖5。其工作情況如下。

圖5 改進后的車載冰箱電氣原理圖

若連接線路①，即將插接點10與插接點11通過跳線相連，線路②、③不連接。此時2個帕爾貼組件串聯(lián)接在電源上，冰箱為24 V狀態(tài)。

若連接線路②、③，即將插接點10與插接點12、插接點9與插接點11分別同時通過線路相連，線路①不連接。此時2個帕爾貼組件并聯(lián)接在電源上，冰箱為12 V狀態(tài)。

此時12 V和24 V 2種狀態(tài)可進行轉(zhuǎn)換，在生產(chǎn)時可采用1種印刷板、2種跳線方案來實現(xiàn)。因某臺具體車的電源電壓只會是12 V或24 V中的一種，不會改變。這種改進方案簡單、可靠。供大家參考。

[1]徐德勝.半導體制冷與應用技術(shù)[M］.上海：上海交通大學出版社，1992：3-4，7，85.

[2]李雪.MC34063中文資料大全[EB/OL］.電子產(chǎn)品世界，http://www.eepw.com.cn/aRticle/269195.html. [2015-01-29］.

（編輯 心 翔）

Electric Control Malfunction Analysis and Improvement of Semiconductor Vehicle-Mounted Freezer

LI Ren-ming，YANG Yong-kang，Su Jian-jun
（Hubei Qixing Automobile Body Co.，Ltd.，Suizhou，441300，China）

Peltier effect and the working principle of semiconductor ehicle-mounted freezer are introduced here，the electric control principle，current circuit for heating and cooling are also analysed. The reason that why 24V vehicle-mounted freezer could work normally on the 12V power supply is demonstrated and the circuit improvement scheme is proposed.

Peltier； vehicle-mounted freezer； MC34063

U463.851

A

1003-8639（2017）03-0061-05

2016-07-29

李仁明（1969-），男，湖北天門人，高級工程師，長期從事汽車駕駛室與整車電氣系統(tǒng)的設計與制造工作。

圖1 車載冰箱電源部分主要電流路徑圖