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簡介LED結(jié)溫原因及LED半導(dǎo)體照明光源散熱方式

金鑒實驗室 ? 2023-04-26 14:44 ? 次閱讀

大功率LED照明設(shè)備的使用日益增多,大功率LED發(fā)光亮度其實與其電流呈正比關(guān)系,同時大功率LED正向電流隨溫度變化。介紹LED結(jié)溫的原因以及LED半導(dǎo)體照明光源的散熱方式。

1、前言

在過去數(shù)十年的發(fā)展中LED發(fā)光效率不斷提高,而成本卻不斷降低,色彩變得更加豐富。這使得大功率LED作為一種高效、節(jié)能、環(huán)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(lǐng)域應(yīng)用的一大發(fā)展瓶頸,是制約其成新一代照明光源的一個重要原因。

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有研究數(shù)據(jù)表明,假設(shè)LED芯片結(jié)溫為25℃時的發(fā)光為100%,那么結(jié)溫上升至60℃時,其發(fā)光量就只有90%;當結(jié)溫達到100℃時就會下降到80%;140℃就只有70%。可見改善散熱控制結(jié)溫對于提高其發(fā)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(jié)溫升高,從而導(dǎo)致LED色度點偏移,顯色指數(shù)下降,色溫增加,發(fā)光效率下降,使用壽命縮短。

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大功率LED的發(fā)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(fā)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(huán)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(xù)加大,則會造成LED壽命減少。

所以此時,必須采取相應(yīng)的措施,在球泡燈的輸入電流會隨著周圍的溫度等因數(shù)發(fā)生變化的情況下,能及時的對大功率LED的正向電流進行調(diào)控。本實用新型通過溫度補償,依據(jù)環(huán)境溫度對輸出電流進行動態(tài)調(diào)整,并對LED溫度進行實時監(jiān)測,從而使大功率LED處于高溫狀態(tài)時電流自動降低,通過該方法使大功率LED燈具更加安全。

2、大功率LED照明產(chǎn)品現(xiàn)狀

芯片-鋁基板-散熱器三層結(jié)構(gòu)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(tǒng),這種熱管理模式僅限于小功率LED使用。采用三層結(jié)構(gòu)模式的方式制備出來的大功率LED照明,在系統(tǒng)構(gòu)造方面仍存在許多不合理的地方,例如結(jié)構(gòu)之間有很高的結(jié)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(dǎo)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。

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由于受結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)換效率仍不高,約有70%的輸入電能轉(zhuǎn)換為熱,即使光效再提高1倍也還有40%的能量轉(zhuǎn)化為熱,也就是說,很難提高到不用考慮散熱的程度。

3、LED照明光源的特性

與常規(guī)日光燈,白熾燈及鹵素?zé)舨煌?LED半導(dǎo)體照明光源以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ),用PN結(jié)構(gòu)組成,電子-空穴對經(jīng)復(fù)合生成可見光,PN結(jié)正向?qū)ǎ聪蚪刂梗渲蠳區(qū)對應(yīng)負極,P區(qū)對應(yīng)正極。LED半導(dǎo)體光源具有發(fā)光效率高,響應(yīng)時間短,體積小,節(jié)能等優(yōu)點。此外,它還具有傳統(tǒng)照明光源所沒有的特性:

1.具有類似于一般PN結(jié)半導(dǎo)體器件的特性:

(1)正向電流和正向電壓均為負溫度系數(shù),隨溫度上升而減少;

(2)正向電壓必須超過某一閾值才會產(chǎn)生電流;

(3)反向時,沒有電流不會工作。

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(xiàn)一定的曲線關(guān)系,當結(jié)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(jié)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。

4、關(guān)于LED結(jié)溫的介紹

1.LED結(jié)溫產(chǎn)生的原因

LED發(fā)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(zhuǎn)化,其中有一部分被轉(zhuǎn)成了熱能。目前市面上的LED的光效約為100 lm/W,其電光轉(zhuǎn)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(dǎo)致了LED結(jié)溫的產(chǎn)生。具體如下:

(1)內(nèi)部量子效率。

空穴和電子復(fù)合時,并不能全部都產(chǎn)生光子,這種通常叫做“電流泄漏”,是使PN區(qū)載流子復(fù)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(zhuǎn)化為熱能,但這部分并不是主要的成分,因為就目前的技術(shù)已經(jīng)能使LED的內(nèi)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(fù)合所產(chǎn)生的光子無法被全部發(fā)射到芯片外部而是轉(zhuǎn)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(dǎo)致光效很低,但這卻免除了散熱的問題。LED散熱問題已經(jīng)漸漸成為研究熱點,其原因在于LED壽命或者光衰與其結(jié)溫有直接關(guān)系,如果散熱問題處理不當將直接造成結(jié)溫易過高和壽命降低。

2.使LED結(jié)溫降低的方法

①、控制額定輸入功率;

②、設(shè)計良好的二次散熱結(jié)構(gòu);

③、把二次散熱結(jié)構(gòu)與LED安裝介面之間的熱阻減少到最低;

④、降低周圍環(huán)境溫度;

⑤、減少LED自身的熱阻。

5、LED半導(dǎo)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(chǎn)生的熱量通過散熱片自然的被散發(fā)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(shè)備中,或者用于低功率、發(fā)熱量小的器件散熱,絕大多數(shù)采取主動散熱,主動散熱就是通過一些設(shè)備主動地將熱量從散熱片上帶走,這些設(shè)備有風(fēng)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。

還有一種方式就是采行“垂直”電極來制造LED元件,因為LED元件的上端和下端均裝有金屬電極,這對散熱問題能有較大幫助。以GaN基板為例,因GaN基板是導(dǎo)電材質(zhì)而可將電極直接制作于基板下連接,可獲得迅速散逸磊晶溫度之好處,但是此種做法由于材料成本高昂,亦將比藍寶石基板之傳統(tǒng)做法成本貴很多,將提高元件之制作成本。

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