半导体车载冰箱电气控制故障分析及改进

李仁明，杨永康，苏建军

（湖北省齐星汽车车身股份有限公司技术中心，湖北 随州 441300）

半导体车载冰箱电气控制故障分析及改进

李仁明，杨永康，苏建军

（湖北省齐星汽车车身股份有限公司技术中心，湖北 随州 441300）

介绍帕尔贴效应、半导体车载冰箱的工作原理，详细分析某车载冰箱的电气原理、制冷和制热电路电流分析，指出了该24V车载冰箱能在12V电源上正常工作的真正原因，并提出了电路改进方案。

帕尔贴；车载冰箱；MC34063

某外贸公司返回一台故障车载冰箱和一块故障冰箱电路板，其额定电压为DC24 V，装在重型载货汽车上使用。该冰箱为半导体车载冰箱，主要出口国外，现用户要求在该冰箱前增加一个24 V-12 V的DC/DC降压器。笔者觉得很奇怪：额定电压24 V的产品为什么要在前面加一个降压器将电压降为12 V呢？

1 半导体冰箱工作原理

当直流电通过2种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现场，这是法国物理学家帕尔贴（Jean Peltier）最早发现的，1834年首次发表在法国《物理和化学年鉴》上。这种现象后来被称为“帕尔贴效应”[1］。

半导体车载冰箱就是利用某种特殊半导体材料构成的P-N结产生帕尔贴效应来工作的：当一块P型半导体和一块N型半导体材料联结成电偶对时通直流电后，电流由P型元件流向N型元件时接头处放热，成为热端；反之，电流由N型元件流向P型元件时接头处吸热，成为冷端[1］。吸收和放出的热量大小由通过的电流大小和P、N型半导体元件的对数决定。因此，只要改变这个电路的电流方向，就可实现冷热端互换，即同一端既可制冷，又能转成制热。因其无压缩机，工作时无振动、无噪音、体积小、成本低，很适合车载冰箱使用。

因生产厂家不提供技术资料，为搞清其故障原因及用户要求的合理性，笔者将该冰箱拆开、测绘，经查找相关资料和研究，分析结果如下。

2 车载冰箱电气原理

车载冰箱电气原理见图1。控制电路的电源部分由MC34063集成电路芯片及外围电路组成降压型变换器。MC34063是一种开关型高效DC/DC变换集成电路，外围元件少。其6号脚为电源+端；4号脚为搭铁；2号脚为开关管发射极引出端；5号脚为电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端，由电阻R2、R3的比值确定2脚的输出电压；C2为定时电容；7号脚为负载峰值电流取样端。本电路输入电压范围为2.5～40 V，输出电压为1.25～40 V。经测量：R3的阻值为2.2 kΩ，R2的阻值为13 kΩ。因此本电路的2脚输出电压为：U2=（1+ R2/ R3）×1.25=8.6 V[2］。实际测量结果与此相同。

电源部分电路电流路径为：DC24 V+ →NTC热敏电阻器→二极管D1→MC34063集成电路6号脚→2号脚（输出电压约8.6 V）→电感L1→T1触点86。当K1电源开关挡位拨到ON挡时，电流分成3路。

第1路为：T1触点86→触点85→插接点2→K1电源开关ON→插接点3→搭铁→DC24 V- 形成回路，此时T1触点30与87接通。电流从：DC24 V+ →NTC热敏电阻器→T1继电器触点30→T1触点87给T2、T3触点提供24 V电压。

第2路为：T1触点86→T2、T3、T4、T5触点86→触点85→……，即给这4个继电器线圈供电。

第3路为：T1触点86→电容C5+→插接点1→W1冷暖转换电位器中间触点→R26→R25→K1电源开关ON→插接点3→搭铁→DC24 V- 形成回路，R25两端的电压决定三极管Q1是导通还是截止，从而控制继电器T2、T3是否工作。

同时，冰箱接通DC24 V电压后：DC24 V+ →NTC热敏电阻器→UCC→D10稳压管→R5→R4→搭铁→DC24V-，给Q2三极管基极提供偏置电压，使Q2导通，进而使T4、T5继电器工作，其触点30与87接通，冰箱工作。当K1电源开关挡位拨到OFF挡时，T1继电器不工作，其触点30与87断开，负载无电，冰箱不工作。

3 车载冰箱制冷电路分析

当W1冷暖转换电位器中间触点旋至W1最右侧时，W1短路，R25上压降最大，使Q1饱和导通。此时T2、T3继电器工作，触点30与87接通，此时冰箱处于制冷状态。车载冰箱制冷状态的电流路径见图2。

具体路径为：DC24 V+ →NTC热敏电阻器→T1触点30→T1触点87→T3触点87→T3触点30 T2触点30→T2触点87→搭铁→DC24V-，形成回路。

其中帕尔贴组件一与帕尔贴组件二为冰箱内制冷源，风扇1、风扇2将帕尔贴组件产生的热量吹走，给冰箱散热用。

可以看出帕尔贴组件二与风扇1、风扇2并联后再与帕尔贴组件一串联接在24 V直流电源上，2组帕尔贴组件及风扇的工作电压实际上是12 V。

K2强弱转换开关拨到弱挡时，电阻R23、R24串入到电路中，降低了电流，因此制冷效果较弱。反之，K2开关拨到强挡时，将电阻R23、R24短路，电路电流较大，制冷效果较强。

车载冰箱制冷片（帕尔贴组件）一般采用TEC1-12 704或TEC1-12 705，其额定电压为12 V，最大工作电压为15.5 V[1］。

4 车载冰箱制热电路分析

当W1冷暖转换电位器中间触点旋至W1最左侧时，W1阻值全部接入电路，R25上分压很小，使Q1截止。T2、T3继电器不工作，冰箱处于制热状态。冰箱制热状态的电流路径见图3。

具体路径为：DC 24 V+→NTC热敏电阻器→T1触点30→T1触点87→T2触点87a→T2触点30T3触点30→T3触点87a→搭铁→DC24 V-，形成回路。

图2 车载冰箱制冷状态电流路径图

图3 车载冰箱制热状态电流路径图

同前面制冷状态比较，两者的区别在于：制热与制冷通过2个帕尔贴组件时电流相反。但经过4个二极管整流后2个风扇的电流方向却相同，即风扇一直处于吹风散热状态。

5 故障冰箱原因分析

检查返回的那台故障车载冰箱电路，接通DC24 V电源后，制热指示灯点亮，风扇工作，冰箱一直制热不能制冷。经检查发现W1冷暖转换电位器旋钮可360°旋转，应属用户野蛮操作将W1电位器损坏所致。更换电位器后，冰箱可正常制冷。但检查总电流时，发现其电流高达10.3 A，而正常工作时的电流应为4 A左右。检查发现2个帕尔贴组件两端的工作电压均为24 V，可见电路板工作不正常。进一步检查，发现Q2三极管损坏。更换该三极管后，检查总电流，发现电流变为4.4 A，即使工作电压升高到30 V，其工作电流变化也不大，车载冰箱故障排除。现在分析Q2三极管损坏后的冰箱负载的电流路径，如图4所示(此时T4、T5继电器不工作) 。

图4 车载冰箱发生故障后的制冷状态电流路径图

具体为：DC24 V+ →NTC热敏电阻器→T1触点30→触点87→T3触点87→T3触点30→→T2触点30→T2触点87→搭铁→DC24 V-，形成回路。

此时可以看出，2个帕尔贴组件与2个风扇并联，直接接在24 V直流电源上，超过了帕尔贴组件的最大工作电压(15.5 V)，时间过长会损坏。

将带回的那块故障冰箱电路板换到冰箱上，通电后发现制冷、制热指示灯都不亮，冰箱不工作。经检查发现属MC34063集成电路芯片损坏，更换后一切工作正常。

6 在DC12V电压时冰箱的工作情况

客户为什么会提出加一个降压器将电压降为12 V呢？笔者做了个简单试验：在冰箱内放一瓶（250 ml）室温自来水，室内环境温度30.6 ℃，接在24 V直流电源上，K2强弱转换开关为弱，30 min时冰箱内的温度降为14.6 ℃，瓶内水温降为25.0 ℃。将该冰箱断电敞开1 h后，换另一瓶同样体积室温自来水（环境温度30.5 ℃），接在12 V直流电源上，K2强弱转换开关仍为弱，冰箱也能正常工作，30 min时冰箱内的温度为14.4 ℃，此时水温也为25.0 ℃。温度测量采用同一只电子远程数字温度计进行，其温度传感器通过导线放在冰箱内，显示屏放在冰箱外面方便读数。看来冰箱在12 V和24 V电压下工作没有区别。

前文章节2介绍：该车载冰箱控制电路电源部分由MC34063集成电路芯片控制，在输入电压2.5～40 V范围内，输出电压只由电阻R2、R3的比值来确定。在输入电压为24 V和12 V时，MC34063的2号脚的输出电压均为8.6 V，给所有的继电器线圈及三极管正常供电。

冰箱接通DC12 V电压后，DC12 V+ →NTC热敏电阻器→UCC→D10稳压管→R5→R4→搭铁→DC12V-，形成回路，R4两端的电压给Q2三极管基极提供偏置电压。此时流过D10稳压管的电流很小几乎为0（在24 V供电时测得的D10稳压管的稳压值为15 V，因此此时电源电压尚未将稳压管反向击穿），Q2三极管截止，T4、T5继电器不工作，其常闭触点接通。此时冰箱的工作情况就同章节5分析的情况一样，只不过电源电压由24 V变成了12 V，即2个帕尔贴组件与2个风扇并联直接接在12 V直流电源上，其工作电流及制冷量与正常接在24 V直流电源上时完全相同，冰箱制冷片和风扇都处于正常工作状态!

因此，这个冰箱虽然要求是在24 V电压下工作，但其实在12 V和24 V电压下都能正常工作，而且在12 V时电压低，其电源部分电气元件的可靠性更好。客户也是经过试验发现冰箱可在12 V电压下工作且不容易损坏，才提出要在冰箱前增加一个24 V-12 V的DC/DC降压器的。

7 冰箱电路的改进

结合故障冰箱损坏情况，为提高其可靠性，提出如下改进方案。

1）针对MC34063集成电路芯片损坏，可在MC34063芯片6号脚和搭铁之间增加一个TVS二极管（瞬态电压抑制二极管）。可对整车上的电磁阀、电机等感性电器件工作（主要是接通、断开瞬间）产生的尖峰电压和其它的浪涌电压对电源芯片进行保护。

2）简化电路，取消T4、T5继电器和Q2三极管及偏置电路（即12 V/24 V转换电路），其可靠性会大大提高。改进后的电气原理图见图5。其工作情况如下。

图5 改进后的车载冰箱电气原理图

若连接线路①，即将插接点10与插接点11通过跳线相连，线路②、③不连接。此时2个帕尔贴组件串联接在电源上，冰箱为24 V状态。

若连接线路②、③，即将插接点10与插接点12、插接点9与插接点11分别同时通过线路相连，线路①不连接。此时2个帕尔贴组件并联接在电源上，冰箱为12 V状态。

此时12 V和24 V 2种状态可进行转换，在生产时可采用1种印刷板、2种跳线方案来实现。因某台具体车的电源电压只会是12 V或24 V中的一种，不会改变。这种改进方案简单、可靠。供大家参考。

[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M］.上海：上海交通大学出版社，1992：3-4，7，85.

[2]李雪.MC34063中文资料大全[EB/OL］.电子产品世界，http://www.eepw.com.cn/aRticle/269195.html. [2015-01-29］.

（编辑 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，湖北天门人，高级工程师，长期从事汽车驾驶室与整车电气系统的设计与制造工作。

图1 车载冰箱电源部分主要电流路径图