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LED路燈的技術要點分析

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LED路燈的技術要點分析

發布日期:2018-05-28 作者:警器 點擊:

  十城萬盞”是我國高科技產業以應用促發展的示范工程,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驗,并通過應用提升產業的自主創新水平,增強國際競爭力,促進中國半導體照明產業做大做強。

  

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  本文選擇了示范項目較多的路燈、隧道燈以及對產品影響較大的驅動電源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光源主要是高壓鈉燈, LED路燈主要在一些支干道上進行了試點應用,但兩者已表現出明顯的優劣差異。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(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,如采用恰當的配光設計,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LED路燈取代傳統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研究中心在LED照明應用的研發過程中對配光、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“LED路燈”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光源道路照明標準要求時要實現以下目標: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;合適的環境比;眩光控制等。

  

  從配光曲線上看,要實現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研究中心開發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路燈發光光源的二次光學透鏡的功能。

  

  隨著封裝產業向下游應用產業的需求靠攏,中山大學半導體照明系統研究中心還開發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研究中心開發的紅光增強的大功率白光LED智能控制系統技術,可以獲得顯色指數90以上,相關色溫2500~8000K可調的光源模 組(圖2)。該技術利用在封裝基板上集成光電轉換芯片,實時監控光源模組的白光色度學參數,光電轉換芯片將探測到的白光色度學參數的變化反饋給智能控制系統,系統通過計算后保證燈具能輸出最優色度學性能的白光,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;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,實現對大功率LED芯片結溫的間接監控,當結溫超過系統預設的溫度時,系統可以自動調節散熱系統的散熱途徑或降低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,已經運用在LED路燈上。

  

  電源

  

  加強驅動電源可靠性設計 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,就是難以保證驅動電源壽命與LED的壽命相匹配。因為交流電必須經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動電源的可靠性設計。LED路燈在室外環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,其主流的電源驅動方式是采取恒流驅動。一般通行的電路結構又由一個恒壓源提供若干個恒流源,每個恒流源單獨驅動一路串聯的LED和市電直接轉為恒流,LED以串并聯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,恒壓源為傳統的開關電源架構相對成熟;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勢,但由于是非隔離的,供電不穩,尤其是晚上電壓較高或雷雨時產生的浪涌,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數目由幾十到上百個,所以后端LED要考慮串聯和并聯相結合,于是不可避免地使得并聯各路電流不一致。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路燈電源驅動主流發展方向。

  

  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,大概在2年左右,約5000小時。中山大學半導體照明系統研究中心開發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。

  

  傳統的太陽能路燈充電系統中,通常經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,造成壽命縮減。中山大學半導體照明系統研究中心開發的太陽能LED路燈系統利用太陽追蹤(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。

  

  智能調光系統靈活調整光輸出 降低能耗

  

  傳統高壓鈉路燈,只能實現小范圍的調光控制,比如關閉一側或間隔關閉路燈,不可避免地帶來照明形態的改變,容易造成安全隱患。LED路燈則可實現0-100%連續調光,可根據環境光照及交通狀況靈活調整光輸出,在保證照明質量的同時降低不必要的功耗。中山大學半導體照明系統研究中心開發的LED路燈的智能調光系統能方便地控制LED的工作狀態,并通過改變驅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部分LED發光組件來達到低功率運行,達到節能的效果。

  

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

  

  散熱

  

  優化散熱和熱管理控制系統

  

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

  

  綜合考慮電流注入效率、輻射發光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素,對于100 lm/W的LED只有約30%的電能轉化為光能,其余的能量則轉化為熱能,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、芯片發光效率和熒光粉效率下降。

  

  隨著p-n結的溫升,LED芯片的發射波長將發生紅移,導致YAG熒光粉激發效率下降,總的發光強度降低,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規律攀升。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結的結溫在90 ℃以下。當多個LED密集陣列或集成封裝時,系統散熱問題更嚴重。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結到外延層;外延層到封裝基板;封裝基板到外界環境三個層次。這三個環節構成了熱傳導的通道。針對LED的散熱難題,中山大學半導體照明系統研究中心分別以下各個層面對散熱和熱管理系統進行了優化設計。

  

  芯片p-n結到外延層的散熱:在氮化鎵材料的生長過程中,改進材料結構,優化生長參數,獲得高質量的外延片,提高器件內量子效率,從根本上減少熱量的產生,加快芯片p-n結到外延層的熱傳導。

  

  外延層到封裝基板的散熱:在芯片封裝上,采用倒裝芯片結構、共晶焊封裝(圖4)、金屬線路板結構。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。

  

  封裝基板到外界環境的散熱: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路燈發展的技術支撐將體現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;高顯色指數和色溫可調的白光智能控制系統;長壽命驅動電源; LED路燈結溫智能控制系統; Zigbee無線通訊控制技術;基于熱管技術的系統散熱和熱管理控制系統等幾個方面。

  

  隨著能源價格的高企、能源危機的加劇和人類環保意識的提高,LED照明憑借其節能和環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路燈將全面取代現有的傳統路燈。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,產值將達上千億元。


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