大功率LED结温与器件表面温度关系的研究

本文利用东南大学自主研发的LED热学特性实验仪,通过脉冲电流法对常见的大功率白光LED灯珠的结温和器件表面温度进行了测量,深入研究了LED灯在升温和降温过程中温度的变化规律,并给出了结温和表面温度的定量关系。一方面,该工作对工程技术领域中的相关研究有一定的实际意义;另一方面,该课题实验内容能帮助学生理解与PN结和LED相关的物理概念和基本原理,使他们体会到物理与现代工程技术的密切联系,从而激发学生对实验物理的兴趣。     

基于热场分析的LED日间行车灯优化设计

针对LED日间行车灯的设计需求,提出通过热场仿真分析实现其热性能优化设计的方法。首先,根据LED日间行车灯的结构建立其有限元仿真模型,通过实验观测LED日间行车灯工作中的温度分布情况,并以实验观测结果验证仿真模型的有效性;然后,基于以上模型仿真分析日间行车灯的灯珠间距、铝基板厚度与LED灯珠结温之间的关系;以上述关系为约束条件,结合生产成本,得出在LED灯珠一定的情况下,灯珠间距为37 mm、铝基板厚度为1 mm的最优化设计方案,使LED日间行车灯能够可靠工作且成本更低。     

基于相对光谱强度的非接触式LED结温测量法

基于一体化封装高导热铝板,利用蓝光芯片及常用YAG荧光粉,制备了大功率白光LED,并研究了其在不同结温下的光谱变化规律。发现白光LED辐射光谱在波长485 nm处辐射强度具有极小值,并且此波长的辐射强度与LED结温存在良好的线性关系,以此为依据给出了该波长辐射强度与结温的关系公式,测量了LED结温,并与正向压降法及光谱法的测量结果进行对比。实验结果显示：所提出的结温测量方法与正向压降法测量结果差距不超过2 ℃,该方法保持了正向压降法的结温测量较为准确的优点,克服了光谱法的光谱漂移过小,对测试结果带来较大误差的缺点,同样也具有光谱法的实用性强、高效直观、非接触测量、不破坏灯具结构的优点。     

白光LED智能调光数学模型

LED灯的光通量不仅受电流的影响,还受到结温变化的影响。针对传统LED调光存在只改变电流大小而忽略结温变化对光通量影响所存在的不足,结合LED结温和管脚温度存在特定的关系,利用实验装置采集HL001WY型Ga N基白光LED在不同管脚温度和正向电流下的光通量实验数据并进行二次项趋势回归,利用定标和归一化方法建立光通量、电流以及管脚温度三者变化关系的数学模型。计算结果表明,利用该方法建立的模型得到的计算数值与实验实际测量值的相对误差小于4.5%。     

BN&Al2O3/环氧树脂复合材料粘接层对LED灯结温的影响

自制BN/EP(环氧树脂)复合材料和Al₂O₃/EP复合材料作为LED灯PCB板和散热铝块之间的粘接层材料,采用精密钻孔的方法用高精度测温仪测量LED灯正常工作时的温度分布,讨论粘接层对结温的影响,并与COMSOL Multiphysics软件模拟结果进行对比分析。实验测量LED结温与模拟结温变化趋势基本一致,结温会随着粘接层厚度的增加而上升、随着粘接层复合材料热导率的增加先快速降低而后趋于平缓。最终得到PCB板和散热铝块间最佳粘接层厚度和粘接层复合材料配比,当BN的质量分数为60%时,BN/EP复合材料粘接层的热导率最高,此时LED结温为75.2 ℃,比纯环氧树脂粘接层LED的结温降低了27.6 ℃。而Al₂O₃/EP复合材料粘接层LED的最低结温为78.2 ℃,此时Al₂O₃的质量分数为50%。     

基于半峰宽的发光二极管结温测量方法

设计了一种采用普通光谱仪,基于光谱半峰宽(FWHM)方法测量LED结温测试系统。首先采用普通光谱仪测量在不同环境温度和正常工作的驱动电流下各色LED的相对光谱分布,由于光谱仪采集到光谱数据均是离散的,为了得到较为精确的半峰宽,需要在最强峰值I_(max)一半即0.5I_(max)处附近将离散的光谱峰形数据拟合成连续的峰形函数,便可计算出在不同温度下较为精确的FWHM,再经过一定的函数拟合,得到结温T_j与FWHM的函数关系。实验发现白光和蓝光LEDT_j-FWHM函数线性关系均高于其他颜色的LED,并且其线性指数R~2均非常接近1,表明各色LED其结温T_j和半峰宽FWHM两参量具有较强的线性函数关系;利用T_j与FWHM的函数关系,便可计算出任意测量值FWHM所对应的LED结温。由于该方法采用正常的驱动电流,自加热效应不可忽略,为了减少光谱仪在固定反应时间内由自加热效应而引起的LED器件结温的升高和温控系统引入的温度偏差而带来的测量误差,选定某状态下的T_j与FWHM为基准状态,并采用逐点作差法得到相应的ΔT_j和ΔFWHM,再将ΔT_j和ΔFWHM拟合成相应的线性函数,得到定标函数,这样极大地减少由自加热效应和温控系统而引入的偏差。最后将本方法得出的测量结果与采用Mentor Graphics公司的T3Ster仪器测出的结果进行了比较,发现偏离2.5%,在完全可接受的误差范围内。结果表明所提出的采用半峰宽法测量LED结温测试方法的可行性。该方法克服了光谱法的峰值波长漂移过小,对测试结果带来较大误差的缺点,并且具有不破坏原有封装结构和不需要昂贵仪器的优点。     

利用温变电容特性测量发光二极管结温的研究

结区的温度, 简称结温, 是发光二极管(LED) 的重要参数之一, 它对LED 器件的出光效率、光色、器件可靠性和寿命均有很大影响, 准确测量LED 器件的结温对制备LED 芯片、器件封装和应用有着重要的意义. 本文利用反向偏压下的LED的势垒电容随温度变化的特性, 提出了一种LED结温测量的新方法. 论文首先测量和分析了LED在室温下反向偏压时的电容-电压(C-V)曲线和不同反向偏压下的电容-温度(C-T)曲线, 结果表明, 在合适的偏压下, LED的电容随温度的增大而显著增加, 并呈现良好的线性关系. 在LED工作中监测其电容的变化, 并与C-T曲线进行对比, 实现了LED结温的测量, 其测量结果和传统的正向电压法的结果相对比, 两者符合较好. 最后, 利用上述方法测量了LED 在恒流和恒压条件下的结温的实时变化过程. 较传统的结温测量方法, 本方法的优点在于只须要一次定标测量, 且可实现LED在任意电压和电流下的结温测量.     

白光和红绿蓝光LED可调光源研制

为了提高LED光源色温和亮度的调节精度和准确度,结合色温由低向高变化时光色所呈现的渐变特点,提出了一种低色温白光LED灯珠、高色温白光LED灯珠加红绿蓝光LED灯珠补偿式调光的方法.将色温分成三个部分进行调节,每个部分选用不同的LED灯珠组合来进行调光.实验结果表明:不同组合情况下的LED光源的初始输出色温相对于目标值的偏差范围在1％以内;亮度可以在保证色温不变的情况下独立进行调节,初始输出值与目标值的偏差范围在1％以内;经过微调之后可以达到目标值;达到了色温和亮度独立调节的要求;光源发光稳定,不会因为长时间工作而影响调节精度.     

具有寿命预测的LED路灯监控系统设计

针对目前城市路灯的用电总量大、灯具寿命短且无法提前预知等缺点,设计了一种基于ZigBee网络具有寿命预测功能的LED路灯监控系统;该系统由ZigBee通信模块、LED驱动电路及数据采集模块构成,可实现对照明设备的集中远程管理,提高道路照明质量;而且本系统设计的路灯控制器具有自适应调节功能,在不同环境亮度下自动调光以达到节能目的。该系统还可对LED灯的各项关键参数进行在线监测,判断路灯控制器工作状态,实时监测LED灯珠老化程度。通过对光通量维持率和时间的关系进行拟合得到特征公式,并采用阿仑尼乌斯老化模型来建立LED灯珠多结温下的寿命预测模型,实现对LED灯珠寿命预测并提前预警。     

GaN基白光LED的结温测量

用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温,误差可以控制在4℃以内.正向电压法在恒定电流的条件下,得到了正向电压与结温的线性关系;蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,都得到了蓝白比与结温较好的线性关系.提出了蓝白比法可能的物理机制,提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,蓝光峰值波长也会改变,这两个因素都会影响荧光粉的激发和发光效率.降低结温需要考虑的主要因素有白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等.     

航空照明功率型LED结温的小电流K系数测量法

功率型LED已经越来越多地运用于航空照明领域,迅速准确地获得LED的结温对航空灯具的散热设计显得极为重要。介绍了一种运用小电流K系数测量LED结温的方法。利用了LED半导体芯片的伏安特性,通过构建测量系统获得LED两端瞬间压降值来算出LED的结温。具有获得LED结温快速、准确、非破坏性等特点。     

高功率LED热特性测试方法研究与应用

叙述了利用动态电学测试方法测量高功率LED热阻和结温的原理、试验装置、测量步骤和影响测试结果的因素.研究结果表明,该方法具有测试结构简单、稳定性高等特点,可作为高功率LED热阻和结温的一种测试方法.     

楞次定律综合实验仪

对传统且较为零散的楞次定律系列实验进行了改进,改进后的实验仪包括LED灯珠示流仪模块、铝环实验模块和可控电磁炮模块,可分别用于楞次定律实验的导入、学生分组实验及课外拓展.本文详细介绍了自制的楞次定律综合实验仪的制作方法.     

基于特征光谱参量表征发光二极管结温的方法

针对采用蓝光激发荧光粉产生白光的YAG型白光LED,通过分析其光谱波谷特性,采用常规可见光光谱仪和温控系统设计了一套基于光谱特征参量的LED结温测试系统.测量方法分为定标函数的测定和任意状态下的测量两部分.首先采用光谱仪测量在给定的多个不同结温和正常驱动电流下的相对发光光谱数据,再分析其光谱波谷处的相对光谱强度.从实用性和降低成本的角度考虑,采用正常工作电流驱动,但以正常工作电流驱动下的LED在光谱仪的固定反应时间内其自加热效应不可忽略.因此采用选定基准状态法,将各温度下的相对发光光谱强度与基准状态下的逐点作差得到相应的发光光谱强度差,同时为了减少温控系统引入的温度偏差,同样将各温度与基准温度作差得到相应的结温差.实验表明高低色温大功率LED的结温差和发光光谱强度差经过一定的函数拟合形成的定标函数其线性度都较高,R2达到0.99以上;利用定标函数,可以测量出在任意状态下的LED结温.最后将采用本方法得出的高低色温LED在不同条件下的结温数据与通过Mentor Graphics公司的T3Ster仪器的测量结果进行了比较,最大偏离度为2.82%,在可接受的误差范围内,表明此方法完全具备可行性,具有一定的实用价值.     

导流散热型LED灯的热分析与试验研究

对某LED灯开展了空气导流技术的散热设计,进行了有、无空气导流散热条件下的仿真分析,针对热分析模型进行反复修正迭代,得到了准确的仿真结果。仿真分析与试验结果表明,在有空气导流散热的情况下,LED灯的结温较无空气导流散热时降低约8℃,LED灯的使用寿命可延长2 000 h。进一步研究发现,基板下表面的发射率、接触热阻以及LED与对流孔之间的距离等因素对LED灯的散热均有影响,最终对各个影响因素进行灵敏度分析,给出了降低结温的几点建议。     

导流散热型LED灯的热分析与试验研究

对某LED灯开展了空气导流技术的散热设计,进行了有、无空气导流散热条件下的仿真分析,针对热分析模型进行反复修正迭代,得到了准确的仿真结果。仿真分析与试验结果表明,在有空气导流散热的情况下,LED灯的结温较无空气导流散热时降低约8℃,LED灯的使用寿命可延长2 000 h。进一步研究发现,基板下表面的发射率、接触热阻以及LED与对流孔之间的距离等因素对LED灯的散热均有影响,最终对各个影响因素进行灵敏度分析,给出了降低结温的几点建议。     

结温对GaN基白光LED光学特性的影响

制备了一个可测量n型GaN材料电阻的白光LED样品,测量了从室温到170℃下的LED芯片的n-GaN材料的电阻,发现n-GaN材料的电阻随温度的升高而增大,且两者呈一定的指数关系。利用这一特性,通过测量LED工作状态下内部所用GaN材料的电阻,可以实现对LED结温的测量。通过改变积分球底板温度使LED样品处于不同的结温下,测量了白光LED的光谱及色度学参数,结果表明:白光LED的峰值波长、显色指数、色温、光通量均与结温成一定的线性关系。     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

LED短时温升速率随实验条件变化的研究

在忽略LED器件向周围环境散热的情况下,推导出LED短时温升速率的理论表达式,在实验上提出了一种测量短时间内LED温升速率的新思路和方法,并研究了温升速率随通电时间、电流和结温变化的关系,定性探讨了LED器件散热的重要性。研究结果表明,当LED的端电压和电流一定时,短时间内LED的温升速率与时间无关;当LED结温一定时,温升速率随电流线性变化;当通过LED的电流一定时,温升速率随结温的增大先增大再减小,在60℃时达到极值,为保证LED良好的散热,建议使用温度最好低于60℃。     

大功率LED热阻自动测量方法研究

在没有散热措施的情况下,大功率LED芯片的温度迅速升高,当结温超过最大允许温度时,大功率LED会因过热而损坏。大功率LED灯具设计中,最主要的设计工作就是散热设计。利用LED半导体器件的结电压与结温具有良好的线性关系的特性,通过测量大功率LED工作时的正向压降,工作电流,恒温箱温度和热衬温度,采用的电学参数法,实现了大功率LED热阻的自动测量。设计并制作了大功率LED热阻自动测量仪,快速、准确的测量了LED晶片到热衬的热阻。六种不同规格LED晶片到热衬的热阻测量值与计算值之间的误差小于10%。热阻测量值普遍高于理论计算值,说明LED制造工艺水平还有很大的提升空间。