LED光電轉(zhuǎn)換效率測試及應(yīng)用研究

張靈改

ZHANG Ling-gai

（集美大學(xué) 誠毅學(xué)院，廈門 361010）

0 引言

發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的新型冷光源，由于它節(jié)能、環(huán)保、綠色無污染照明，使得LED成為當(dāng)今世界上替代傳統(tǒng)光源的新一代照明光源[1]。

LED照明產(chǎn)品需要較短的開發(fā)周期來響應(yīng)市場需求，利用CFD仿真軟件全面分析LED燈具的熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內(nèi)外的溫度場和流場等，適用于所有LED室內(nèi)照明燈具的開發(fā)設(shè)計[2]，可以有效地縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)費(fèi)用，因此該方法普遍為國內(nèi)外照明廠家采用。在CFD散熱仿真過程中，熱量計算是十分重要的，因?yàn)樗鼪Q定了整個燈具系統(tǒng)中熱載荷的大小。行業(yè)內(nèi)目前對在散熱仿真的熱量評估方法比較簡單，通常設(shè)定光電轉(zhuǎn)換效率的20%～30%[3,4]，或根據(jù)LED封裝生產(chǎn)廠家給出的一個光電轉(zhuǎn)換效率來估算熱量，而實(shí)際情況受到光電參數(shù)、燈具結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境溫度等的影響，光電轉(zhuǎn)換效率會出現(xiàn)較大的偏差。同時，LED供應(yīng)廠家提供的數(shù)據(jù)往往都是瞬態(tài)、常溫（冷態(tài)，25°C，下同）時的測試結(jié)果，如表1所示的一款三星5630 LED（3000K）的測試數(shù)據(jù)，通過對比數(shù)據(jù)，同樣的電流輸入情況下，瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)存在較大的差異。

因此，為了準(zhǔn)確評估光源所產(chǎn)生的熱量，保證CFD散熱模擬仿真的準(zhǔn)確性，需要對所使用LED進(jìn)行相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率測量實(shí)驗(yàn)，以獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)值。

1 測試系統(tǒng)－HAAS-2000

遠(yuǎn)方光電的HAAS-2000[5]高精度光譜分析系統(tǒng)采用高精度TE-cooled面陣CCD探測器和歐洲定制平場凹面衍射光柵，可以實(shí)現(xiàn)在極短的測量時間內(nèi)，精確測量LED的光譜、光度和色度特性。HAAS-2000還可同時實(shí)現(xiàn)LED的穩(wěn)態(tài)測量和脈沖測量，帶有恒溫加熱測試夾具，可以模擬實(shí)際工作溫度下的LED光學(xué)測量，恒溫加熱溫度范圍為5°C～90°C[6]，符合本文試驗(yàn)LED測試需求。HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)如圖1所示，主要組成為LHS-1000供電熱測試系統(tǒng)、0.5mm遠(yuǎn)方光學(xué)積分球、TC-100大功率LED溫度控制器、HASS-2000光譜儀以及LHS-1000 LED光電熱綜合測試系統(tǒng)軟件組成。

表1 三星5630 LED（3000K）光電參數(shù)

圖1 Hass-2000高精度光譜分析系統(tǒng)

2 測試用LED

LED室內(nèi)照明燈具光源從早先常用的2020、3014、2835等中小功率發(fā)展到現(xiàn)在普遍采用的3030、5630、3535等中大功率LED型號，主要是受益于光電轉(zhuǎn)換效率的提高、芯片尺寸加大以及散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)步。本論文選用現(xiàn)在室內(nèi)照明燈具常用的3030、5630 LED型號作為試驗(yàn)對象，供應(yīng)商為韓國首爾半導(dǎo)體。產(chǎn)品圖片如圖2所示，產(chǎn)品參數(shù)如表2所示[6,7]。

圖2 首爾半導(dǎo)體LED

3 施加溫度載荷的LED光電轉(zhuǎn)換效率測試實(shí)驗(yàn)

3.1 常溫下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試

首先進(jìn)行常溫下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試，即承載待測試LED的熱沉溫度為室內(nèi)溫度（本實(shí)驗(yàn)為數(shù)據(jù)分析需要，利用TC-100大功率溫度控制器熱沉溫度控制為25°C，如圖3所示）。此部分實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果雖然與實(shí)際應(yīng)用情況有所差別，但仍然能看出電流應(yīng)力對LED光電轉(zhuǎn)換效率的影響趨勢，同時需要與在施加溫度應(yīng)力情況下的LED光電轉(zhuǎn)換效率測試數(shù)值進(jìn)行比對分析，所以還是需要進(jìn)行常溫下實(shí)驗(yàn)測試，常溫下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如圖4所示（每組測試LED樣品為3個后取各參數(shù)平均值，以下類同）。

圖3 熱沉溫度控制系統(tǒng)

圖4 常溫（25°C）下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試

表2 首爾半導(dǎo)體3030、5630 LED規(guī)格參數(shù)

3.2 施加溫度應(yīng)力下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試

施加溫度應(yīng)力下的LED光電轉(zhuǎn)換效率測試，即與實(shí)際LED產(chǎn)品應(yīng)用情況相似，得出的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)值具有較好的實(shí)踐參考意義。承載LED的熱沉溫度人為控制到一穩(wěn)定溫度數(shù)值后再進(jìn)行測量，此熱沉溫度可相當(dāng)于實(shí)際應(yīng)用過程中鋁基板溫度（誤差不可避免會存在，但已較為接近）。廈門大學(xué)呂毅軍教授團(tuán)隊(duì)曾研究了發(fā)光效率與電流、熱沉溫度等的關(guān)系[8]，但該研究在5年前，產(chǎn)業(yè)化LED的內(nèi)量子效率得到較大的提升，因此為了LED燈具散熱建模仿真熱量計算的依據(jù)更為準(zhǔn)確，進(jìn)行本次測試實(shí)驗(yàn)工作。

每次對待測LED樣品進(jìn)行點(diǎn)亮測試之前，先將溫控?zé)岢良訜岬綄?shí)驗(yàn)所需設(shè)定溫度。此溫度僅為熱沉溫度，若要反應(yīng)到PN結(jié)溫度，需要加上接觸熱阻和封裝熱阻，封裝熱阻由LED供應(yīng)商可以查詢獲得，也可以通過T3ster熱阻測試儀測得[10]；接觸熱阻為待測LED樣品與熱沉間的導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻（本實(shí)驗(yàn)為0.05mm、1W/m.K的導(dǎo)熱硅脂）。在LED產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中，通過接觸式測量（熱電偶）可測得較準(zhǔn)確溫度點(diǎn)也基本為鋁基板，所以本實(shí)驗(yàn)溫度控制參考基準(zhǔn)也以鋁基板為主。根據(jù)實(shí)際LED照明產(chǎn)品應(yīng)用中鋁基板溫度范圍，溫度控制選擇45°C、55°C、65°C、75°C四個檔的溫度應(yīng)力，實(shí)際使用中其他溫度可以根據(jù)線性計算獲得。

4 數(shù)據(jù)分析

在施加電流應(yīng)力下測試LED樣品光電轉(zhuǎn)換效率測試（每種型號測3個樣品），根據(jù)LED照明產(chǎn)品中的電流使用情況，電流控制選擇75mA、100mA、125mA、150mA四個檔的電流應(yīng)力分別進(jìn)行測試。

本研究選用的待測LED產(chǎn)品是首爾公司GaN基白光LED5630（3000K，6000K）、3030（3000K，6000K）四種共12個，LED施加溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力的光電轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果如圖5～圖8所示。

從圖5～圖8的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，LED光電轉(zhuǎn)換效率受電流應(yīng)力和溫度應(yīng)力的又重影響，在做好LED應(yīng)用環(huán)境的散熱設(shè)計同時，也要關(guān)注所使用的電流大小，保證產(chǎn)品的能量利用率。

5 結(jié)束語

圖5 不同溫度下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試（5630-3000K）

圖6 不同溫度下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試（5630-6000K）

圖7 不同溫度下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試（3030-3000K）

圖8 不同溫度下LED光電轉(zhuǎn)換效率測試（3030-6000K）

本實(shí)驗(yàn)研究針對常用（在用）LED產(chǎn)品進(jìn)行測量分析，得到較為準(zhǔn)確的在特定電流應(yīng)力和溫度應(yīng)力下的LED光電轉(zhuǎn)換效率，能夠有效提高散熱模擬仿真準(zhǔn)確性。在需要相關(guān)的LED光電轉(zhuǎn)換效率值，可從四個測試結(jié)果圖表中查詢所需要的數(shù)值，可以保證該類型LED的燈具EFD熱仿真或熱阻推算過程中應(yīng)用需求。但是考慮到測試樣本數(shù)水平及LED產(chǎn)品型號有限，后續(xù)有新的LED應(yīng)用到燈具當(dāng)中，要按照本文方法重新進(jìn)行相關(guān)測量，才能較為準(zhǔn)確地獲得其實(shí)際應(yīng)用過程中的光電轉(zhuǎn)換效率。

[1]陳杰.LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究[J].照明工程學(xué)報,2013,24(3):81-86.

[2]海基科技.LED燈同步CFD分析解決方案[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/514e783b5901020207409ca2.html(百度文庫),2012-7.

[3]Arik M,Beckerb C,Weaverb S,et al.Thermal management of LEDs:Package to system[J].Proc SPIE,2004,5(187):64-75.

[4]Lin M.T.,Ying S.P.,Lin M.Y.,et al.High power LED package with vertical structure[J].Microelectronics Reliability,2012(52):878-883.

[5]遠(yuǎn)方光電.HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(實(shí)驗(yàn)室級)[EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=94&fid=7.

[6]遠(yuǎn)方光電.TC-100大功率LED溫度控制器 [EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=128&fid=14

[7]Seoul Semiconductor.Specification SSCSTW8C2SA(3030)[EB/OL].

[8]Seoul Semiconductor.Specification STW8Q14BE(5630)[EB/OL].

[9]呂毅軍,雷瑞瑞,高玉琳.功率LED發(fā)光效率分析[J].光學(xué)學(xué)報,2009,29:13-17.

[10]殷錄橋,張金龍,宋朋.熱界面材料對高功率LED熱阻的影響[J].光電子.激光,2013(10):234-239.