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LED路燈的技術要點分析

作者: 時間:2011-05-22 來源:網(wǎng)絡 收藏

  “十城萬盞”是我國高科技產(chǎn)業(yè)以應用促發(fā)展的示范工程,其目的旨在通過選擇一批基礎良好的城市,采取國家、地方、企業(yè)共同投入的模式,率先開展led市政照明的應用試點,為我國全面推廣半導體照明摸索經(jīng)驗,并通過應用提升產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新水平,增強國際競爭力,促進中國半導體照明產(chǎn)業(yè)做大做強。

  本文選擇了示范項目較多的路燈、隧道燈以及對產(chǎn)品影響較大的驅(qū)動電源3個方面分析其技術進展,為“十城萬盞”的順利實施提供參考。

  目前,用于道路照明的傳統(tǒng)光源主要是高壓鈉燈, 主要在一些支干道上進行了試點應用,但兩者已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)劣差異。在光效方面,高壓鈉燈最高可達140 lm/W,比目前商用大功率LED的光效100 lm/W高,但LED的顯色指數(shù)(約80)要遠遠超過高壓鈉燈(約25),且在相同照度下,白光LED更有助于司機或行人識別目標,其道路照明效果和舒適度要遠高于高壓鈉燈。在燈具效率方面,高壓鈉燈采用球面發(fā)光設計,綜合考慮反射器效率,高壓鈉燈的燈具效率一般僅有70%。但LED是定向出光,如采用恰當?shù)呐涔庠O計,大部分光線會直接投射到路面,燈具效率能達85%以上。

  所以,僅從光效和燈具效率來看,就可見取代傳統(tǒng)路燈光源的巨大潛力。為此,本文將從中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心在LED照明應用的研發(fā)過程中對配光、電源和散熱等三個關鍵技術所取得的研究成果來重點闡述“十城萬盞”示范應用工程關系密切的“”的技術路線和技術支撐。

  配光

  通過光學設計獲得蝙蝠翼型光強分布

  目前市場上的LED路燈,其光源部分主要分兩種方式:單顆1 W大功率白光LED陣列和大功率集成封裝光源模組。盡管LED路燈的國家標準還沒有出臺,但LED路燈的配光在參考傳統(tǒng)光源道路照明標準要求時要實現(xiàn)以下目標:合適的平均路面亮度;高的總照度均勻度和縱向照度均勻度;合適的環(huán)境比;眩光控制等。

  從配光曲線上看,要實現(xiàn)以上目標主要是通過合適的光學設計以獲得蝙蝠翼型光強分布,從而在路面上獲得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封裝透鏡(即一次光學透鏡)不適合直接應用于LED路燈上,所以在每一個大功率白光LED的一次光學透鏡上還要添加二次光學透鏡,目前“花生米”型的二次光學透鏡能達到較好的效果。

  中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的設計思路是不采用單獨的二次光學透鏡,而是在一次封裝的LED的發(fā)光光源外直接設計波浪形光學透鏡面罩,利用透鏡面罩來達到整個LED路燈發(fā)光光源的二次光學透鏡的功能。

  隨著封裝產(chǎn)業(yè)向下游應用產(chǎn)業(yè)的需求靠攏,中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心還開發(fā)設計特殊形狀的一次光學透鏡,在LED芯片封裝時直接安裝,具有體積小、成本低的特點,完全符合LED路燈和道路照明要求(圖一)。

  隨著封裝技術的進步,白光LED的封裝方式由單顆1W大功率LED器件逐漸轉(zhuǎn)向大功率集成封裝光源模組。目前的大功率集成封裝光源模組的功率最高可達 100W以上,但這類光源由于發(fā)光面積較大,為光學配光設計帶來困難。

  中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的紅光增強的大功率白光LED智能控制系統(tǒng)技術,可以獲得顯色指數(shù)90以上,相關色溫2500~8000K可調(diào)的光源模 組(圖2)。該技術利用在封裝基板上集成光電轉(zhuǎn)換芯片,實時監(jiān)控光源模組的白光色度學參數(shù),光電轉(zhuǎn)換芯片將探測到的白光色度學參數(shù)的變化反饋給智能控制系統(tǒng),系統(tǒng)通過計算后保證燈具能輸出最優(yōu)色度學性能的白光,可以保證光源模組輸出保持設定的相關色溫范圍和顯色指數(shù);封裝基板上還集成了溫度傳感芯片來實時探測封裝基板的溫度,實現(xiàn)對大功率LED芯片結(jié)溫的間接監(jiān)控,當結(jié)溫超過系統(tǒng)預設的溫度時,系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)的散熱途徑或降低LED的功率。該光源模組可以由單顆1 W大功率白光LED陣列的方式或大功率集成封裝光源模組的方式組成,已經(jīng)運用在LED路燈上。

  電源

  加強驅(qū)動電源可靠性設計 匹配LED壽命

  目前主流的LED路燈采用交流電供電,交流電LED路燈存在一個共性問題,就是難以保證驅(qū)動電源壽命與LED的壽命相匹配。因為交流電必須經(jīng)過開關電源的整流濾波才能變成直流電,而開關電源中必須采用電解電容來濾波。一般的電解電容壽命只有8000小時,遠遠小于LED的理論壽命50000小時。而且環(huán)境溫度每升高10℃,電解電容的壽命就降低一半,使得整個LED路燈系統(tǒng)的壽命必然會受到電解電容的拖累。因此,制約LED路燈壽命的一個重要因素就是驅(qū)動電源的可靠性設計。LED路燈在室外環(huán)境下保證電源的可靠工作,一般需要從高效率、高功率 、長壽命、過壓過流、隔離、浪涌、過溫、防護方面、符合安規(guī)和電磁兼容的要求等幾方面進行考慮。

  對于大功率LED路燈,無論其光源部分采用單顆1 W大功率白光LED陣列方式或大功率集成封裝光源模組方式,其主流的電源驅(qū)動方式是采取恒流驅(qū)動。一般通行的電路結(jié)構(gòu)又由一個恒壓源提供若干個恒流源,每個恒流源單獨驅(qū)動一路串聯(lián)的LED和市電直接轉(zhuǎn)為恒流,LED以串并聯(lián)組合的方式運行兩種。

  對于采用單顆1 W大功率白光LED陣列的這種方式,恒壓源為傳統(tǒng)的開關電源架構(gòu)相對成熟;而相配的恒流源部分為直流降壓型,效率能達到95%以上,另外所占的電路空間較小,既可以與恒壓源部分組合在一塊,也可以與LED集成在一起,具有較大的靈活性。每一路LED電流可獨立控制,保證燈具整體發(fā)光一致,但是成本會稍高一點。

  對于大功率集成封裝光源模組方式,又分為隔離型和非隔離型兩類,前者成本以及效率方面有優(yōu)勢,但由于是非隔離的,供電不穩(wěn),尤其是晚上電壓較高或雷雨時產(chǎn)生的浪涌,容易造成LED光源連同電源一起損壞。而后者雖然效率較低,電路復雜度較高,但可靠性得到保證。無論是隔離型還是非隔離型的交流-直流恒流源,由于路燈上的LED數(shù)目由幾十到上百個,所以后端LED要考慮串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合,于是不可避免地使得并聯(lián)各路電流不一致。目前,這兩種方式的電源并存。多路恒流輸出的方式,在性能以及可靠性方面較好,將會是以后LED路燈電源驅(qū)動主流發(fā)展方向。

  挖掘電池潛力 延長太陽能路燈壽命

  隨著太陽能這一新能源的發(fā)展,各地的太陽能LED路燈也逐漸興起,太陽能電池的低壓直流、長壽命的特點正好與LED相匹配。但是太陽能LED路燈系統(tǒng)中依然存在壽命瓶頸,就是鉛酸蓄電池。一般的鉛酸蓄電池的壽命為500個充電循環(huán),大概在2年左右,約5000小時。中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的智能充放電智能控制器,可以使得鉛酸蓄電池的壽命達到1500次循環(huán)。

  傳統(tǒng)的太陽能路燈充電系統(tǒng)中,通常經(jīng)過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連,將導致太陽能板的工作點偏移最大功率點(Maxim Power Point,簡稱MPP)而未有效利用太陽能板的可輸出功率,同時容易使蓄電池因供能不足而長期處于欠充滿狀態(tài),造成壽命縮減。中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的太陽能LED路燈系統(tǒng)利用太陽追蹤(Sun Tracking)和最大功率追蹤(MPP Tracking,即MPPT)技術,可使太陽電池的輸出穩(wěn)定在MPP附近,從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。

  智能調(diào)光系統(tǒng)靈活調(diào)整光輸出 降低能耗

  傳統(tǒng)高壓鈉路燈,只能實現(xiàn)小范圍的調(diào)光控制,比如關閉一側(cè)或間隔關閉路燈,不可避免地帶來照明形態(tài)的改變,容易造成安全隱患。LED路燈則可實現(xiàn)0-100%連續(xù)調(diào)光,可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調(diào)整光輸出,在保證照明質(zhì)量的同時降低不必要的功耗。中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的LED路燈的智能調(diào)光系統(tǒng)能方便地控制LED的工作狀態(tài),并通過改變驅(qū)動電流來控制其亮度。比如在進入下半夜后,通過降低整燈電流或關閉燈具內(nèi)部分LED發(fā)光組件來達到低功率運行,達到節(jié)能的效果。

  中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心還把Zigbee無線通訊控制技術應用在LED路燈系統(tǒng)上。Zigbee無線控制系統(tǒng)的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種容易布建的低成本無線網(wǎng)絡,具有協(xié)議棧簡單緊湊、省電、可靠、時延短、網(wǎng)絡容量大等特點(圖3)。Zigbee收發(fā)模塊集成在每一個LED路燈上,并通過接力的方式,把所有的信息匯集在終端上,從而實現(xiàn)在終端對每個LED路燈的運行情況進行有效的監(jiān)控,發(fā)揮系統(tǒng)控制、故障排除和防盜的功能。

  散熱

  優(yōu)化散熱和熱管理控制系統(tǒng)

  LED在正向電壓下,電子在電場的驅(qū)動下克服p-n結(jié)的電場,由n區(qū)躍遷到p區(qū)并與p區(qū)的空穴發(fā)生復合。由于躍遷到p區(qū)的自由電子具有高于p區(qū)價電子的能量,復合時電子回到低能量態(tài),多余的能量以光子的形式釋放,輻射出來的光還需經(jīng)過芯片本身的半導體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界。

  綜合考慮電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素,對于100 lm/W的LED只有約30%的電能轉(zhuǎn)化為光能,其余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能,使LED芯片溫度升高。對于LED芯片,如果熱量不能有效散出,會導致芯片的溫度升高,引起熱應力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉效率下降。

  隨著p-n結(jié)的溫升,LED芯片的發(fā)射波長將發(fā)生紅移,導致YAG熒光粉激發(fā)效率下降,總的發(fā)光強度降低,白光色度漂移。當溫度超過一定值時,器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。器件溫度每上升2℃,可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命,一般要求p-n結(jié)的結(jié)溫在90 ℃以下。當多個LED密集陣列或集成封裝時,系統(tǒng)散熱問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為LED路燈的先決條件。

  如何提高LED路燈的散熱能力是LED封裝和LED路燈設計的核心問題。LED路燈散熱問題分為芯片p-n結(jié)到外延層;外延層到封裝基板;封裝基板到外界環(huán)境三個層次。這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成了熱傳導的通道。針對LED的散熱難題,中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心分別以下各個層面對散熱和熱管理系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。

  芯片p-n結(jié)到外延層的散熱:在氮化鎵材料的生長過程中,改進材料結(jié)構(gòu),優(yōu)化生長參數(shù),獲得高質(zhì)量的外延片,提高器件內(nèi)量子效率,從根本上減少熱量的產(chǎn)生,加快芯片p-n結(jié)到外延層的熱傳導。

  外延層到封裝基板的散熱:在芯片封裝上,采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、共晶焊封裝(圖4)、金屬線路板結(jié)構(gòu)。在器件封裝上,選擇合適的基板材料,比如金屬印刷電路板(MC-PCB)、陶瓷、復合金屬基板等導熱性能好的封裝基板,以加快熱量從外延層向封裝基板散發(fā)。

  封裝基板到外界環(huán)境的散熱:目前的LED路燈一般是將大功率白光LED通過回流焊的方式陣列焊接在金屬封裝基板上,然后再把金屬封裝基板緊密安裝在大體積的鋁、銅材料的散熱翅片上。大功率白光LED產(chǎn)生的熱量通過金屬封裝基板傳遞到散熱翅片上,利用自然對流或人為強制對流的方式達到散熱的目的。

  中山大學半導體照明系統(tǒng)研究中心針對大功率集成封裝光源模組的熱量大而集中的特點,將大功率集成封裝光源模組安裝在均溫板上,利用均溫板的快速擴散熱量的性能將LED產(chǎn)生的熱量快速橫向擴散;在散熱翅片部分還采用熱管(直型熱管、回路熱管和脈沖熱管)來降低加強熱傳導和降低熱阻(圖5);在LED路燈的腔體中產(chǎn)生人工強制對流的方式來加強對流散熱。

  綜上所述,引導LED路燈發(fā)展的技術支撐將體現(xiàn)在基于共晶焊技術的大功率集成封裝光源模組方式;一次光學透鏡;高顯色指數(shù)和色溫可調(diào)的白光智能控制系統(tǒng);長壽命驅(qū)動電源; LED路燈結(jié)溫智能控制系統(tǒng); Zigbee無線通訊控制技術;基于熱管技術的系統(tǒng)散熱和熱管理控制系統(tǒng)等幾個方面。

  隨著能源價格的高企、能源危機的加劇和人類環(huán)保意識的提高,LED照明憑借其節(jié)能和環(huán)保的特點受到了越來越大的關注。目前,LED在路燈照明和室內(nèi)照明等普通照明領域的應用剛處于起步階段,受2008年北京奧運會和2010年上海世博會的推動,大功率白光LED的發(fā)光效率即將突破150 lm/W將是LED進入普通照明的絕佳時機,隨著單位流明價格的降低,LED路燈將全面取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈。屆時,全球的LED路燈的需求將達上億只,僅中國的需求就要達到上千萬只,產(chǎn)值將達上千億元。

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關鍵詞: LED路燈 技術要點

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