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高效无金属散热器LED照明灯关键技术简述

来源:ofweek 日期:2017/5/31 15:32:34 浏览量:... 分享到:
LED照明具有光效更高、寿命更长;不含有害物质汞;使用寿命与灯的开关次数几乎无关、可提倡“随手关灯”;可以瞬间起亮等突出优点,被认为终将替代白炽灯和节能灯,成为节能照明的主流。实际上,只有在LED灯的性价比全面超过白炽灯、特别是超过目前广泛使用的节能灯后才能成为通用照明灯的主流。

LED照明的课题看起来十分明确,即在保证光质量的前提下光效需要大幅提高,例如比节能灯高一倍以上;价格需要大幅下降,最好接近节能灯;使其性价比明显优于节能灯

  目前的LED通用照明灯大多由功率型LED加金属散热器和恒流驱动电路构成。笨重的金属散热器不仅增加了灯的成本和重量,同时要消耗大量铝资源,有悖环保。一个LED灯就像一个金属球,不利于安全,特别是大功率LED灯。因此,目前不少消费者购买时还是选择节能灯。

  本文将结合笔者所在公司的研发工作介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高效率、无金属散热器的LED通用照明灯(可以直接替换白炽灯和相当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技术。

  该LED通用照明灯的整灯发光效率比荧光节能灯高一倍以上;显色指数可高达96;可制造光通量为几十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯,L70寿命可达30000小时。可直接替换10~100W和更大功率白炽灯和相当光通量的荧光节能灯。

  一、 LED芯片4π出光、提高PN结光提取率和实际光效

  白光LED发光过程的能效η为:

  η  =ηI ×ηO × ηC ×K

  其中,ηI :内量子效率;ηO:外量子效率;ηC:光子下转换损失;K:发光粉吸收。

  有人分析,在理想情况下[1],ηI = 0.95;ηO = 0.5;ηC = 0.875;K =0.95,因此,最高理想的能效η=39.5%。这里的外量子效率ηO 指的是光子在出射过程中被芯片、窗口材料,荧光粉及透镜等沿途吸收或在不同折射率介质界面反射回芯片内部再被吸收等的结果,即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功当量为320 lm/W计算,则最高光效为320×0.395=126 lm/W。这显然是被低估了。但由此我们可以看到提高LED光效的一个重要并有巨大潜力的因数是提高光提取率。

  LED的光来自LED芯片的PN结,其发光原本是4π立体角全方位均匀出射的自然光,但目前几乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

  LED的应用从初期的指示灯到数码显示和目前的彩色大屏幕显示液晶显示的背照明等,在这些应用中,需要把原本是4π出射的光用反射碗和透镜等聚集向前方、即转变为≤2π出射的光,包括直插式、草帽式、表面贴(SMD)和COB等;这样的变换对于这些应用是需要的,也是正确的。

  不过,这样的变换让芯片原本向后发射的光聚集向前方,将明显降低PN结发射的光的提取率,即降低了LED的实际有效光效,这对于并不一定要求≤2π出光的LED照明,并不是必需的。如果让LED芯片4π出光,将可明显提高LED PN结产生的光子的提取率、即提高LED的实际光效。

                                              图片1.png

  图1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意图。LED芯片被安装在光反射碗的底部,反射碗内有光出射面为平面或曲面的透明介质(图1中为平面的例子)。

  芯片PN结向上发射的2π立体角光(以蓝色表示)的一部分可直接从光出射窗出射,另一部分光经透明介质表面全反射后经反射碗反射或直接经反射碗反射后出射。其中,直接出射光约为2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%,这里我们设透明介质的折射率为1.5,经反射碗反射后出射的光占75%,设反射碗反射率为0.75,若不计反射碗多次反射和透明介质的吸收损失,则总光提取率为(25+75×0.75)%=81%。

  LED芯片向下发射的2π光(以红色表示),要经过芯片背镀反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收,估计出射率约为60%(取决于反射碗壁和底、电极表面、电极之间介质面、固晶胶等的反射率)。

  因此,LED芯片光的总提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%,即约30%的光被LED元件吸收而变为热能。

  图2是LED芯片4π出光的示意图。其中LED芯片为芯片基板是透明的芯片,至少一串相互串联或串并联的芯片被用透明胶固定在一个LED发光元件的透明基板上,芯片上覆有透明介质层或发光粉胶层。

  若芯片基板为蓝宝石蓝宝石上的外延层和PN结为GaN,P电极为ITO,LED元件透明基板为玻璃,透明介质为硅胶,它们的折射率分别为1.77、2.4、1.8、1.45、1.5,由图2可见,离开LED芯片PN结向上和向下发射的各半球2π的光都可以顺利出射,蓝宝石基板内部基本上没有多次反射吸收,若不计介质吸收,LED芯片的光几乎可100%出射。

  即4π出光的LED元件的实际发光效率要比SMD式LED高约(100-71)/71=41%。我们的实验结果基本与此相符。

  可见,让LED芯片4π出光可提高LED元件的实际发光效率约40%,同时减少LED的发热量。考虑到现有LED元件的不同结构,4π出光应可比≤2π出光的光效高30%以上。

  其实这个概念几乎所有LED工作者早就知道,但没有能实用,其关键是没有能解决LED芯片的散热问题。

  二、气体散热分析

  要让LED芯片4π出光,芯片四周必须是高透光率而且可散热的透明介质。人们很容易首先想到的是用液体散热,因为透明介质中、液体的导热率一般都比气体要高得多。例如水的导热率为0.5 W/(m·K),是空气导热率0.025的20倍。

  十多年来一直有人在研究用液体散热来达到LED芯片4π出光,但液体散热仍有一些难以克服的困难,例如,液体的粘滞系数比气体大很多,水的粘粘滞系数为8937μP,是空气的10倍,是氦的77倍,高粘滞系数导致LED芯片周围很容易因为芯片发热使液体相变气化,而产生的气体因为液体的高粘滞系数而难于跑掉,芯片容易被静止的气体包围,而任何静止的气体都是良绝热体,因而容易使芯片过热而烧毁。此外,还有液体容易电解、侵蚀芯片和发光材料、泡壳破碎后的污染等问题,至今还没有很好的实用产品。

  气体与液体相比,虽然导热率低,但粘滞系数比液体小的多,容易形成气体对流,有效地把LED工作时产生的热带走散发掉,从而获得良好的散热效果。

  初期,人们把LED芯片安装在条状或平板型透明基板上,在空气中工作,利用空气散热。但由于空气的导热率低、粘滞系数高,难以有效散热。若LED芯片安装在一个平板上,则热量集中更不利于散热,因此难以制成光效高,又能足够输出光通量的LED灯。例如,Ushio的LED灯丝灯,输出光通量仅36 lm,光效仅60 lm/W[2]。又如松下的LED芯片安装在一透明平板上的空气散热的LED灯泡,输出光通量为210 lm,光效为47 lm/W[3]。这些LED芯片4π出光的LED灯泡的光效反而低于用现有≤2π出光的LED元件制成的LED灯,现有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡灯的效率为40~90 lm/W,其原因在于没有解决LED芯片的有效散热问题,致使LED芯片的PN结温升高、光效低,输出光通量小。

  笔者所在的公司有效地解决了4π出光芯片的散热问题[4],其方案是:把至少一串相同或不同发光色的LED芯片用透明胶分散固定安装在一个透明基板条上,芯片和透明基板条四周有至少一层透明胶层或发光粉层;透明基板二端有电引出线,制成LED发光条(或称LED灯丝);所述LED发光条被安装在一个真空密封的透光泡壳内,泡壳内充有高导热率、低粘滞系数的传热并保护LED的气体;LED的电极经真空密封泡壳的芯柱的引出线引出,经LED驱动器与一电连接器连接,电连接器用于连接外电源,制成一个外形与白炽灯相似、高光效、无金属散热器的LED灯丝灯,可直接替换白炽灯和节能灯。

  现已制成了整灯光效高达170 lm/W的A19型LED灯泡;其输出光通量可达760 lm;显色指数(CRI)可达96。最近该公司实验室已制成色温5000K、CRI为71,光效高达193 lm/W的A19灯。其光效比节能灯高一倍以上。从而使LED 4π出光、无金属散热器的LED灯泡进入了实际使用时代。图3是锐迪生4条LED发光条串联的LED灯丝灯示意图。

  高导热率低粘滞系数的气体优选氦或氦氢混合气。氦的导热率为0.14 W/(m·K),是空气的6倍,粘滞系数仅194μP[5],是空气的1/8;氢的导热系数为0.15,粘滞系数为87.6,且成本低,但使用欠安全;为降低成本,可用氦氢混合气。高导热率低粘滞系数气体容易形成有效的对流散热,可以把LED芯片工作时产生的热很快带走,传递给灯泡的泡壳,再经泡壳到周围空气散发掉。

  其次,采用导热率较高的发光条透明基板,例如用硬玻璃、石英玻璃、蓝宝石、透明陶瓷、AlN等。同时要采用导热率高、透光率高的固晶胶和发光粉胶,并尽可能减小它们的厚度,还要尽量增加透明基板和发光粉胶与散热气体的接触面积,以降低LED的PN结到散热气体的热阻。所述至少一层发光粉层可被涂覆在透明基板和LED芯片四周,例如涂覆在发光条有LED芯片和无芯片二面,或仅在有芯片一面,也可以先在透明基板上涂覆一层发光粉层,LED芯片被固定在该发光粉层上、芯片电连接后再涂覆一层发光粉层。

图片2.png

  此外,还可以把发光粉涂覆在灯泡泡壳的内壁上,发光条的LED芯片上仅有一层透明胶,发光粉远离芯片,有利于减小光衰,增加灯的使用寿命。

  我们可以用蓝加红或橙LED芯片以提高CRI,还可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光条,而无需用发光粉。所述芯片也可以是芯片基板背镀反射膜的或不透明的芯片,所制成的LED发光条仍为4π出光,但其光效将比芯片基板是透明的要低。所述芯片还可以用倒装LED芯片,倒装在印有电连接线的透明基板上制成发光条,还可用一个芯片上有多个PN结的高压LED芯片(HVLED)制作发光条,以减少芯片之间的电连接线,提高成品率和生产效率。

  这类LED灯丝灯的光效要比现有用≤2π出光的LED元件制成的球泡灯高30%以上,而且无金属散热器,可节省大量铝,更环保,重量轻,目前已经开始被市场接受,批量生产

  然而,也有人担心它的使用寿命难以达到30000小时或以上,难以制成输出光通量高于800 lm的大功率LED灯。下文会对此分别叙述。

  三、寿命分析

  LED灯寿命主要取决于LED PN结的工作温度和发光粉的光衰。

  图4所示为目前常用的GaN LED的不同PN结温的光通量衰减图[6、7],图中标有不同结温时的L70寿命。由图可见,若结温<85℃,L70寿命可达30000小时以上。LED PN结的温度不容易测量,用主波峰的位移、结电压变化、红外成像仪、发光效率的变化等可以估计PN结的结温。

  图5所示为相对光通量和结温的关系[7],由图5可见,在恒定LED输入功率的条件下,稳定光通量比冷态光通量下降10%时的结温为75~85℃。恒定功率条件下光通量的变化,即相对光效的变化。因此我们可以测量灯的初始光效和热稳定后相同输入功率的稳定光效之比来估计LED灯稳定工作时PN结的结温,若此稳定光效和初始光效之比≥0.9,由图4和5可见、灯的寿命估计可达30000小时以上。当然,同时还要计及发光粉的光衰和其它因数;最后还需要以实际测量来确定。

  也就是说,LED灯丝灯的设计,应该满足稳定光效和初始光效之比≥0.9的条件,LED灯丝灯才可能有30000小时以上的使用寿命。

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  我们的寿命试验的实验结果如图6所示,该实验结果是14个稳定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED灯丝灯寿命测试的平均值(Lr)。图中虚线为能源之星35000小时寿命的光衰曲线,其中1000小时被定义为初始值(100%)。由图6可见,所述LED灯丝灯的L70寿命有可能达到30000小时以上。

图片4.png

  现在我们再来看一看灯泡中充高导热率低粘滞系数气体的重要性。图7所示为同一个3.9W的LED灯丝灯,在充有室温下近一个大气压的氦气和折断排气管放入空气后,在相同输入功率条件下,光效随时间的变化。图中上面一条曲线为充有氦的测试结果,下面一条曲线为相同测试条件下,放入空气后的测试结果。由图可见,在充有氦气时,稳定光效与初始光效之比>0.9,对照图4和5、其PN结的结温<85℃,预计寿命可大于30000小时。

图片5.png

  然而一旦放入空气,不仅其稳定光效降低了19%,其稳定光效与初始光效之比下降到<0.75,对照图5,其PN结的结温>150℃! 显然已经难以正常工作了。这里可以明显看到充高导热率、低粘滞系数气体的重要性,也说明了充空气的LED灯丝灯发光效率低、光通量小的原因。

  此外,假设LED灯泡寿命长达30000小时,若以每天工作3小时计,长达20多年的工作期间保持泡壳内气体的纯度,泡壳必须真空密封,用现有的有机或无机胶密封都不可能长时间保持其气体的纯度。真空密封还可以完全隔离周围环境对LED元件的影响,LED可以在完全没有周围空气中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影响下工作,更有可能使用寿命长达20年以上。

  四、陶瓷管LED灯分析

  此前,有人预言、LED灯丝灯只能制造500 lm以下的小功率灯。这样的预言不是没有道理,因为由LED灯丝(发光条)组装而成的灯丝灯,由于受到LED灯丝与散热气体接触面积小、散热面积小、热阻大的限制,单灯的输出光通量确实难以做到>800 lm。

  而半导体照明的目标是要替代10~150W通用的白炽灯和与它相当光通量的荧光节能灯。实际上也只有这样,半导体照明才能成为通用照明的主流。参照美国能源之星,40W、60W、75W、100W、150W白炽灯的初始输出光通量分别为450、800、1100、1600和2600 lm。

  如何制成光通量为800~2600 lm的大功率无金属散热器LED照明灯?其关键在于:在保持LED 4π出光、高效率、低发热的基础上,进一步提高LED的散热面积,减小LED PN结到灯周围散热空气的热阻和进一步提高泡壳的散热能力。

  锐迪生解决这个问题的技术方案是[8]:把LED发光条或LED芯片直接紧贴在一个高导热率的透明管的外壁上,所述透明管,例如为透明陶瓷管、石英管、蓝宝石管等,透明陶瓷管具有高达23 W/(m·K)的导热率、高达95%以上的总透光率,其导热率接近芯片基板蓝宝石,它的内、外表面都与散热气体接触和散热,大大增加了LED的散热面积、降低了LED芯片PN结到散热气体的热阻。

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  图8所示为用上述透明陶瓷管LED发光柱制成的A19 LED灯泡的示意图。如图所示,LED发光条被固定在一个透明陶瓷管的外表面上,泡壳芯柱上的玻璃柱上端有一弹簧或支架把陶瓷管上端固定,陶瓷管的下端与芯柱的引出线连接并固定,芯柱引出线与灯的驱动器输出连接,驱动器的输入与灯头连接,灯头用于连接外电源,接通外电源即可点亮LED灯。

  图9和10为两种不同结构的LED发光柱的截面示意图。图9为LED发光条粘贴在透明陶瓷管外表面的LED发光柱的示意图。图10为LED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED发光柱的示意图。

 图片7.png

  如图9所示,至少一条LED发光条被用透明胶固定在透明陶瓷管外表面上,图中是有4条发光条的例子。透明陶瓷管上有供安装发光条的平面,各发光条相互串联或串并联。

  图10为LED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明胶固定在预先涂覆有发光粉层的陶瓷管平面上,也可用混合有发光粉的固晶胶固定在透明陶瓷管的平面上。

  图10所示为LED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一发光粉层上的例子,LED芯片上覆盖有第二发光粉层。LED芯片经一薄发光粉层被直接固定在高导热率陶瓷管上,其间没有透明基板,仅有一薄层粉胶,芯片的蓝宝石基板基本上直接与陶瓷管接触,热阻很小,进一步降低了LED的PN结与散热气体之间的热阻,即可降低PN结的工作温度,可提高LED芯片的工作电流和功率,提高输出光通量。同时,还可以用较大功率的中功率LED芯片,以减少LED发光条的数量和LED芯片的数量,减少固晶和打线数,提高生产效率、成品率和可靠性,必要时还可打双线、以进一步提高可靠性。

  如图9和10所示的把发光条或芯片直接固定在高导热率管上,还可保持各发光条和各芯片基本上处于相同的工作温度,从而可降低因个别芯片温升过高而导致整灯失效的几率,以提高灯的可靠性。

  图9和10所示的LED发光柱的结构还可有多种变换,例如,用不同结构的发光条;LED芯片可以是有背镀反射膜的或不透明的芯片;LED芯片可用蓝加红或橙LED芯片以提高CRI;也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光柱,而无需用发光粉;也可用倒装LED芯片;还可用HVLED芯片;发光粉也可被涂布在灯泡的泡壳内壁上等。

  用上述方法可有效提高单灯的灯功率和输出光通量。但整灯的最后散热仍取决于泡壳与周围空气的热交换,LED发光柱位于泡壳的中央,泡壳与周围空气的接触面积有限,即使用直径较大的陶瓷管,也难以制成更大输出光通量的LED通用照明灯。

  五、 大功率多管灯分析

  锐迪生用多管灯方案突破了瓶颈[9],使800~1600lm和更高流明的无金属散热器LED照明灯得以实现。这类多管灯相当于把单灯的泡壳劈开,分成几个,各灯管之间有让空气自由流动的间隙,容易形成空气对流,使各灯管都可有效散热,大大增加了灯管与周围空气的热交换散热能力,从而可提高灯功率和输出光通量。

  多管灯的散热方案可称为管内气体对流散热和各灯管之间空气对流散热的双重对流散热技术,能制成体积小、输出光通量更高的无金属散热器的LED通用照明灯。目前已经研制成了光通量为800~1600 lm的多管陶瓷管LED灯和光通量高达4000 lm的实验样灯。

 图片8.png

  图11所示为一个输出光通量为1600 lm 的4管LED灯的例子。其每一灯管各自真空密封并充有高导热率、低粘滞系数的散热保护气体,每个灯管内各有一个透明陶瓷管LED发光柱;各LED灯管各自恒流或限流驱动,可避免各灯管因LED电流与温度正反馈引起的光衰不一致的问题,保证各灯管光衰一致和长使用寿命。

  现已制成2管、3管和4管t5的大功率LED灯。其5000K色温的多管灯的典型参数为:

  2管灯:850lm,6.4W,133 lm/W,CRI:81;灯高:110mm,最大直径:40mm,重量:58g;

  3管灯:1250lm,9.3W,134 lm/W,CRI:82;灯高:110mm,最大直径:48mm,重量:64g;

  4管灯:1630lm,12.2W,134 lm/W,CRI:81;灯高:110mm,最大直径:52mm,重量:70g;

  可见,6.4W 2管灯相当于60W白炽灯;12.2W 4管灯相当于100W白炽灯。整灯光效都在130lm/W以上,无金属散热器,体积小,重量轻。锐迪生的多管灯容易用改变灯管数量、灯管和陶瓷管尺寸的方式来制成不同功率的大功率LED照明灯。

  六、总结

  LED芯片4π出光的光效比现有≤2π出光的LED高30%以上,用高导热率低粘滞系数气体散热,可制成高效率的小功率LED灯丝灯;用高导热率的透明管LED发光柱可进一步提高散热能力,制成更大输出光通量的LED陶瓷管灯;用双重气体对流散热技术的多管LED可制成800-1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯。其整灯光效比节能灯高一倍以上、无金属散热器、成本低、重量轻、寿命长、可替代10-100W和更高功率白炽灯和相当光通量的节能灯。是新一代LED通用照明灯。由于其光效高、结构简单、成本低,将有助于促进半导体照明替代白炽灯和节能灯、成为通用照明的主流的时代的来临。

 


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