提高大功率白光LED發(fā)光效率技術(shù)研究*

齊向陽(yáng)，白廣新

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

提高大功率白光LED發(fā)光效率技術(shù)研究*

齊向陽(yáng)，白廣新

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

從封裝、驅(qū)動(dòng)和散熱3方面研究提高大功率LED發(fā)光效率的技術(shù)，采用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)、脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)及單芯片集成半導(dǎo)體制冷技術(shù)，可有效提高大功率白光LED的發(fā)光效率．在研究國(guó)內(nèi)外提高大功率LED發(fā)光效率技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)1W白光LED進(jìn)行了理論分析，表明單獨(dú)采用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)，光效增加月15%；單獨(dú)采用大功率白光LED脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)，光效提高約20%；單獨(dú)采用單芯片集成半導(dǎo)體制冷技術(shù)，光效增加約30%；綜合采用這3種技術(shù)，光效可提高約79%．

大功率白光LED，封裝，遠(yuǎn)程熒光，驅(qū)動(dòng)，散熱

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

LED光源作為第四代光源，具有高光效、體積小、壽命長(zhǎng)、等優(yōu)點(diǎn)，因此大功率LED光源有取代熒光燈等氣體放電燈的趨勢(shì)．但是，目前大功率LED尚未能在通用照明領(lǐng)域得到普及，其中一個(gè)根本原因是，大功率LED的電光轉(zhuǎn)換效率只有20%左右，剩余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使得LED芯片發(fā)熱，導(dǎo)致 LED可靠性及光電轉(zhuǎn)換效率降低，色溫變差等．

1.1 LED封裝方面

目前，絕大多數(shù)大功率白光LED的發(fā)光機(jī)理是采用藍(lán)色大功率 LED，激發(fā)熒光粉發(fā)出黃色光，藍(lán)色光與黃色光混合為白光．熒光粉采用點(diǎn)膠工藝直接涂敷在 LED晶片表面，熒光粉緊貼LED發(fā)光晶片，這樣使得LED晶片發(fā)射的光和晶片激發(fā)熒光粉發(fā)出的光經(jīng)散射返回到芯片而損失掉．同時(shí)，較高的晶片結(jié)溫使熒光粉的溫度較高，導(dǎo)致熒光粉的發(fā)光效率降低．

為解決熒光粉體緊貼 LED發(fā)光晶片導(dǎo)致發(fā)光效率降低的問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出用環(huán)氧樹(shù)脂隔離LED晶片及熒光粉層的熒光粉遠(yuǎn)離LED芯片的方法．由于熒光粉遠(yuǎn)離芯片，較高的芯片結(jié)溫對(duì)熒光粉的影響小，這樣，熒光粉層的溫度較低，熒光粉的發(fā)光效率提高了20.3%．文獻(xiàn)[1]的最大實(shí)驗(yàn)電流是60mA，而1W大功率白光LED的額定電流是350mA．

有研究提出白光LED遠(yuǎn)程熒光技術(shù)[2]，即將熒光粉涂敷在遠(yuǎn)離LED晶片的基板上，而不是直接涂敷在LED晶片上．目前只有國(guó)外某公司擁有成熟技術(shù)，該公司稱其發(fā)高效率提高了30%．

1.2 LED驅(qū)動(dòng)電路方面

文獻(xiàn)[3]對(duì)大功率 LED進(jìn)行了脈沖驅(qū)動(dòng)的一些基礎(chǔ)研究，表明其發(fā)光指標(biāo)得到改善，溫升降低，該文沒(méi)有說(shuō)明發(fā)光效率提高了多少．

1.3 LED芯片散熱方面

散熱對(duì)LED芯片具有重要意義，研究[3]表明，當(dāng)LED的結(jié)溫超過(guò)125℃，LED的發(fā)光效率就會(huì)顯著下降，故障率較之100℃會(huì)上升2倍以上．熱電制冷可以用于LED散熱．國(guó)內(nèi)主要是用大尺寸制冷片對(duì)LED組合來(lái)進(jìn)行制冷．文獻(xiàn)[4]對(duì)9個(gè)1W的LED芯片模組熱電制冷進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明制冷效果明顯，溫度降低36%．也有用單個(gè)制冷片對(duì)單個(gè)大功率LED進(jìn)行散熱的[5]，該文的實(shí)驗(yàn)中，銅基板溫度達(dá)40℃時(shí)，使制冷片工作，銅基板溫度降低至30℃．文獻(xiàn)[6]提出了一種1WLED的集成微型熱電制冷方法，在較低的熱電制冷功率（0.55W）下，LED的光效是沒(méi)有熱電制冷的1.3倍．但這種集成制冷方式，還不夠集成．

2 提高大功率白光LED發(fā)光效率的主要方法

2.1 大功率白光LED遠(yuǎn)程熒光封裝技術(shù)

本研究白光LED采用1W功率，熒光粉層采用平面圓形基板，整體遠(yuǎn)程熒光系統(tǒng)采用杯燈形式，如圖1所示．遠(yuǎn)程熒光系統(tǒng)包括3個(gè)主要組成部分：藍(lán)色LED、混光室及遠(yuǎn)程熒光粉光源元件（如遠(yuǎn)程熒光板）．研究結(jié)果見(jiàn)表1．

1）研究減少熒光粉涂敷量的工藝．

2）進(jìn)行目前市場(chǎng)上已有1W藍(lán)光LED晶片及熒光粉的配合測(cè)試，從中找出能夠用于遠(yuǎn)程熒光技術(shù)的配合．熒光粉的發(fā)光光譜不同，應(yīng)選擇發(fā)光光譜一致的藍(lán)光LED，以達(dá)到最佳熒光粉激發(fā)效果．

測(cè)試發(fā)光效率—LED晶片跟熒光粉間距離的關(guān)系曲線，以確定熒光層跟LED晶片的最佳距離．分析表明，測(cè)試發(fā)光效率—熒光層跟LED晶片間距離呈倒V型關(guān)系，原因是：當(dāng)熒光粉貼近LED晶片時(shí)，LED晶片發(fā)射的光和晶片激發(fā)熒光粉發(fā)出的光經(jīng)散射返回到芯片而損失掉．同時(shí)，較高的晶片結(jié)溫使得熒光粉的溫度較高，也導(dǎo)致熒光粉的發(fā)光效率降低．且隨著距離的增大，發(fā)光效率增大．當(dāng)距離增大到超過(guò)某一值時(shí)，熒光粉對(duì)藍(lán)光的吸收成為影響光通量的主要因素，此時(shí)隨著距離的增大，發(fā)光效率反而減小．

3）找出目前藍(lán)光LED晶片及熒光粉的配合問(wèn)題，給大功率LED及熒光粉的改進(jìn)提供方向．

表1 研究結(jié)果對(duì)比

4）研究遠(yuǎn)程熒光系統(tǒng)里的混光室．

由于混光室本質(zhì)屬于二次成像系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)對(duì)二次成像的研究比較多，產(chǎn)品也多樣．可以廣泛測(cè)試已有的可以用于混光室的結(jié)構(gòu)和材料，從中找出改進(jìn)的方向．對(duì)改造過(guò)的不同的混光室結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行測(cè)試．

2.2 大功率白光LED脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在遠(yuǎn)程熒光技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究1W白光LED芯片的脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)，采用峰值為800 mA的脈沖電流（1/10工作周期，0.1ms脈沖寬度）來(lái)驅(qū)動(dòng)，研究結(jié)果見(jiàn)表1．

1W白光LED采用直流驅(qū)動(dòng)時(shí)，正向電流IF不能超過(guò)350mA，采用脈沖峰值電流（1/10工作周期，0.1ms脈沖寬度）IFP不能超過(guò)1000mA，留20%的余量，取脈沖峰值電流為800mA．

隨著 LED正向電流的增加，其光通量增加明顯，用大的脈沖電流驅(qū)動(dòng)，從光效上來(lái)說(shuō)，跟增加正向直流電流相當(dāng)．如圖2所示，電流增加2倍，光通量增加1倍左右．

2.3 大功率白光LED半導(dǎo)體散熱技術(shù)

在遠(yuǎn)程熒光技術(shù)以及脈沖驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，研究改善LED晶片散熱的技術(shù)．

采用微型半導(dǎo)體制冷片，對(duì)單個(gè)的 1W 白光LED進(jìn)行集成半導(dǎo)體制冷．研究結(jié)果見(jiàn)表1．LED芯片（未進(jìn)行封裝）采用1W方形芯片，工作電壓為 3.0~3.4V，尺寸為 45 mil×45 mil（1.143mm× 1.143mm）．其波長(zhǎng)為450~460 nm，發(fā)藍(lán)色高亮光．

圖1 平面圓形遠(yuǎn)程熒光技術(shù)

圖2 陶瓷1W 白光LED 正向電流跟光通量的關(guān)系曲線

半導(dǎo)體制冷片采用一種薄膜TEC（半導(dǎo)體制冷器），制冷片面積、厚度及驅(qū)動(dòng)電流分別為2.0 mm* 1.0 mm，0.46mm，0.2A．制冷量可以達(dá)到600 mW，電壓在3V左右．

選用的半導(dǎo)體制冷片尺寸大于LED芯片，這樣可有效對(duì)LED芯片進(jìn)行散熱；兩者的工作電壓都是 3V，使得驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單．從散熱量來(lái)說(shuō)，600mW的制冷量可以對(duì)1W的LED進(jìn)行有效散熱．半導(dǎo)體制冷片用恒流驅(qū)動(dòng)，通電后，一個(gè)面是發(fā)熱面，另一個(gè)面是制冷面，把制冷面用導(dǎo)熱膠粘貼在LED晶片的襯底，如圖4所示．

圖4中的熱敏電阻用于對(duì)LED晶片的溫度進(jìn)行控制，只在LED晶片的溫度過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)制冷片來(lái)降溫．

為測(cè)試制冷效果，需要進(jìn)行溫度測(cè)試，方法有2種．

圖3 LED脈沖驅(qū)動(dòng)電路框圖

圖4 單個(gè)LED晶片半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)圖

一種是采用熱電偶測(cè)試，這種測(cè)試無(wú)法直接測(cè)量LED晶片結(jié)溫，只能通過(guò)測(cè)試表面器件如銅基板或者半導(dǎo)體制冷芯片冷面的溫度來(lái)估算 LED結(jié)溫．另一種是用紅外照相機(jī)來(lái)記錄LED封裝的熱成像，這種方法能直接測(cè)量包括LED芯片結(jié)溫在內(nèi)的各個(gè)封裝部分的溫度．

3 結(jié) 論

本文提出的3種方法，能有效提高大功率白光LED的發(fā)光效率．分析結(jié)果顯示：

采用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)，光效增加15%左右．

采用大功率白光LED脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)，光效提高20%左右．采用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)+脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)，光效提高38%左右．

采用單芯片集成半導(dǎo)體制冷技術(shù)，以1W LED +0.6W微型半導(dǎo)體制冷片集成為例，光效增加30%左右．

采用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)+脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)+單芯片制冷技術(shù)，光效提高約79%．

[1] 劉麗，吳慶，黃先，等．白光LED熒光粉涂敷工藝及光學(xué)性質(zhì)[J]．發(fā)光學(xué)報(bào)，2007，26（6）：890-894．

[2] 施豐華，王海波．白光LED用遠(yuǎn)程熒光技術(shù)[J]．中國(guó)照明電器，2012（04）：6-8．

[3] 王峰，梁楚華，郭延生，等．大功率LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的研究[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2008（06）：67-70．

[4] 田大壘，關(guān)榮鋒，王杏，等．基于熱電制冷的大功率LED散熱性能分析[J]．電子與封裝，2009，9（1）：35-37．

[5] 唐政維，黃瓊．一種采用半導(dǎo)體制冷的集成大功率LED[J]．半導(dǎo)體光電，2007，28（4）：471-473．

[6] Liu C K, Dai M J, Yu C K, et al. High efficiency silicon-based high power LED package integrated with micro- thermoelectric device[C]//Proc of IMPACT, 2007：29-33．

Research on Improving the Luminous Efficiency of High Power White LED

QI Xiangyang, BAI Guangxin

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Luminous efficiency of high power white LED is studied from three perspectives including package, driving and heat radiation. By adopting technologies such as remote phosphor for white LED, pulse driving and single chip integrated semiconductor refrigeration, the luminous efficiency of high power white LED can be effectively improved. Theoretical analysis is made on 1W white LED, and it is pointed out that luminous efficiency can be increased by 15% or so with remote phosphor, 20% or so with pulse driving, 30% or so with single chip integrated semiconductor refrigeration, 79% or so with them all.

high power white LED; package; remote phosphor; driving; heat radiation

TN383.1

A

1672-0318（2014）05-0021-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 005

2014-04-17

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳市2012年戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（JCYJ20120823172559906）

齊向陽(yáng)（1969-），男，河南人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)．