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大功率LED工作溫度控制的一些技術點

發布時間:2019-09-12

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深圳市極光智能照明有限公司專注于LED燈具的設計與生產,我們擁有光學、熱學及結構的專業設計團隊;我們擁有10年的LED從業經驗,給您的產品帶來無限的升值空間,我們將一起迎接豐收的黃金季節,朋友,請跟我們一起走進極光智能照明的世界!

在近幾十年的發展時間里,LED發光效率越來越高、成本則越來越少,顏色也變的越來越豐富。這使得大功率LED作為一種高效、節能、環保、安全的清潔光源在不久的將來大有取代其他照明光源趨勢。然而,大功率LED燈的散熱問題仍然是其在照明領域應用的一大發展瓶頸,是制約其成新一代照明光源的一個重要原因。

有研究數據表明,假設LED芯片結溫為25℃時的發光為100%,那么結溫上升至60℃時,其發光量就只有90%;當結溫達到100℃時就會下降到80%;140℃就只有70%??梢姼纳粕峥刂平Y溫對于提高其發光效率十分重要。大功率LED燈的散熱問題若解決不好,必將使LED燈工作溫度上升,結溫升高,從而導致LED色度點偏移,顯色指數下降,色溫增加,發光效率下降,使用壽命縮短。

大功率LED的發光亮度實際上與它的電流成正比,如果控制住了大功率LED的輸出光通量就等于控制住了它的發光亮度。而大功率LED的正向電流也會隨著溫度的改變而改變,當環境的溫度超過一定值(我們稱為安全溫度)通過LED的正向電流會驟然減小,而在此時如果電流繼續加大,則會造成LED壽命減少。

所以此時,必須做出相應的措施,在球泡燈輸入電流與周圍溫度等因數改變的時候能及時的對大功率LED正向電流做出控制。采用溫度補償的技術,根據環境溫度動態調節輸出電流,實時監視LED的溫度,使得在高溫條件下的大功率LED自動減小其電流,藉由此來使大功率LED燈具更具有安全性。


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大功率LED照明產品現狀


“芯片-鋁基板-散熱器三層結構模式”均被目前市場上大部分大功率LED照明燈具所采用,即先在鋁基板封裝芯片以形成LED光源模塊,然后再在散熱器上安裝光源模塊,這樣就可以制造成大功率LED照明燈具。目前仍沿用LED早期用于顯示燈和指示燈的方式作為大功率LED的熱管理系統,這種熱管理模式僅限于小功率LED使用。采用三層結構模式的方式制備出來的大功率LED照明,在系統構造方面仍存在許多不合理的地方,例如結構之間有很高的結溫、比較低的散熱效率、更多的接觸熱阻,以致使芯片所釋放出來的熱量不能有效地散出與導出,致使LED照明燈具光衰大、光效低、壽命短,不能滿足照明需求。

由于受結構、成本和功耗等諸多因素的限制,大功率LED照明難以采用主動散熱機制,而只能采用被動式散熱機制,但被動式散熱具有較大的局限性;而且目前LED的能量轉換效率仍不高,約有70%的輸入電能轉換為熱,即使光效再提高1倍也還有40%的能量轉化為熱,也就是說,很難提高到不用考慮散熱的程度。


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LED照明光源的特性


與傳統日光燈、白熾燈和鹵素燈不一樣,LED半導體照明光源是采用半導體材料制成的,由PN結構成,電子-空穴對通過復合產生可見光,PN結正向導通,反向截止,其中N區對應負極,P區對應正極。LED半導體光源具有發光效率高,響應時間短,體積小,節能等優點。此外,它還具有傳統照明光源所沒有的特性:

2.1.具有類似于一般PN結半導體器件的特性:

(1)正向電流和正向電壓均為負溫度系數,隨溫度上升而減少;

(2)正向電壓必須超過某一閾值才會產生電流;

(3)反向時,沒有電流不會工作。

2.2.有很多方面制約著它的工作溫度,具體如下:

(1)LED的亮度與正向電流呈現一定的曲線關系,當結溫超過某一值后,亮度隨正向電流的減小而減弱;

(2)必須把結溫限制在額定值95℃~125℃以下;

(3)如表面含有塑料透鏡,將會受到透鏡材料熔點溫度的限制。


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關于LED結溫的介紹


3.1 LED結溫產生的原因

LED發熱很大一部分原因是因為所加入的電能并沒有全部以光能的形式轉化,其中有一部分被轉成了熱能。目前市面上的LED的光效約為100 lm/W,其電光轉換效率還很低,大約只有20~30%左右。也就是說大約有70%的電能以熱能的形式被浪費掉。

總的來講,有兩個因素導致了LED結溫的產生。具體如下:

(1)內部量子效率。

空穴和電子復合時,并不能全部都產生光子,這種通常叫做“電流泄漏”,是使PN區載流子復合率降低的原因。泄漏的電壓與電流的乘積就是這部分的耗散功率,也就是轉化為熱能,但這部分并不是主要的成分,因為就目前的技術已經能使LED的內部光子效率接近90%。

(2)大約只有30%的外部量子效率。

最主要的一個原因是由于載流子復合所產生的光子無法被全部發射到芯片外部而是轉化為熱量。雖然白熾燈只有15lm/W左右的光效,但是藉由最終它把電能以光能的形式輻射出去,盡管大部分的輻射能是紅外線而導致光效很低,但這卻免除了散熱的問題。LED的散熱問題逐漸成為人們關注的重點,這是因為LED的壽命或光衰直接與它的結溫有關,假如散熱問題處理不好會直接導致結溫容易過高,壽命縮短。

3.2使LED結溫降低的方法

①、控制額定輸入功率;②、設計良好的二次散熱結構;③、把二次散熱結構與LED安裝介面之間的熱阻減少到最低;④、降低周圍環境溫度;⑤、減少LED自身的熱阻。


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LED半導體照明光源散熱方式


一般說來,按照帶走熱量的方式散熱器可以被分為被動散熱和主動散熱。所謂的被動散熱,是指熱源LED光源產生的熱量通過散熱片自然的被散發到空氣中,其散熱效果和散熱片大小成正比,但是這種散熱效果比較不理想,最常用在條件要求比較低的設備中,或者用于低功率、發熱量小的器件散熱,絕大多數采取主動散熱,主動散熱就是通過一些設備主動地將熱量從散熱片上帶走,這些設備有風扇等等。較高的散熱效率是主動散熱的主要特點并且它本身有比較小的體積。


另也有一種方式,是采行“垂直”電極的方式去制作LED元件,由于LED元件上下兩端都設有金屬電極,此可在散熱的問題上得到更大的助益。例如,采用GaN基板作為材料,由于GaN基板即為導電材質,因此電極可以直接做在基板下方進行連接,即可得到快速散逸磊晶溫度的效益,但這種作法因為材料成本較高,也會比傳統藍寶石基板作法的成本貴上許多,會增加元件的制作成本。


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