LED照明系统的研究与设计

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文常州信息职业技术学院学生毕业设计（论文）报告系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 微电子技术 班 号： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设计（论文）题目： LED照明系统的研究与设计 指 导 教 师： 设 计 地 点：常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 2010.5.42010.7.3 毕业设计（论文）任务书专业 微电子技术 班级 姓名 一、课题名称： LED照明系统的研究与设计 二、主要技术指标1、光效，理论上最大光效：683lm/W；2、色温分级：暖色（5300K）；3、照度，低照度（约100200lx以下）用暖色温，中照度（约200750lx）用中色温；4、LED的颜色；5、LED的电流：一般小功率的LED的正向极限电流多在20mA。但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的额定功率为350mA,3W LED的750mA；6、LED的正向电压：LED的正极接电源正极,负极接电源负极；7、LED的反向电压：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏；8、LED发光强度：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，单位为坎德拉（cd）；9、LED光通量：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。单位为流明(lm)；10、LED光照度：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯(lx)；11、LED的使用寿命：LED一般可以使用50,000小时以上； 三、工作内容和要求：1、论述LED的发展史2、研究LED器件的光学特性、热学特性、电学特性和工作原理。3、LED照明系统的电路设计4、分析PN结温度升高对LED性能的影响，讨论LED灯具散热的重要性，研究LED灯具的散热途径。5、分析LED照明系统模型并分析其组成部分灯具、光源、控制器。最后，对全文的工作进行总结。 四、主要参考文献： 1 刘恩科，朱秉升，罗晋生等 .半导体物理学西安交通大学出版社 第7版,180-364 2 王晓明，郭伟玲，高国，沈光地LED 新一代照明光源现代显示，2005版，68-1203 赵清泉，夏晓玲半导体发光二极管的应用及其前景大众科技，2005版，35-89 4 周太明，电器照明设计.上海：复旦大学出版社，2001 年11 月 ，24-140 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目LED照明系统的研究与设计一、 选题的背景和意义：目前，传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。发展可再生能源已成为全球课题。而综观可再生能源种类，风能、生物能、太阳能等，太阳能的利用前景最好，潜力最大。从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。LED照明技术在这个领域中将发挥重要的作用。二、 课题研究的主要内容：1、LED的发展史2、LED的结构和工作原理3、LED光学特性、热学特性、电学特性等各性能的研究4、LED照明系统的散热性研究5、LED照明系统的电路图设计6、介绍LED照明系统的组成部分及其工作原理7、简要介绍LED照明系统的应用三、 主要研究（设计）方法论述：首先定下这一课题，然后完成开题报告，给自己定下一个比较合理的时间进度。这是完成论文的保障。然后才着手完成整篇论文。多数资料都是从网上搜索到的内容。将搜索到的内容进行一个简单的整合。在此之前先确立了一个大体框架结构，这样所搜索到的内容就可以很方便的有步骤的嵌套进去。本文首先对LED发展进行论述，包括其产生、发展等等方面，这一方面介绍的比较简略。然后又比较全面的对LED的工作原理及LED照明系统的组成进行介绍和阐述。接下来是着重对LED照明系统的设计和各种性能研究进行阐述，最后，完成对整个LED照明系统的设计。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期）工 作 内 容2010.5.42010.5.23确定论文题目，收集相关资料，完成开题报告。2010.5.242010.5.31论文的整体构思，完成第一章到第三章的内容撰写。2010.6.12010.6.5完成中期检查报告。2010.6.6201.6.25完成整篇论文的撰写。2010.6.262010.7.3根据老师的指导对论文进行修改。五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日目录摘要Abstract第1章 前言.1第2章 LED的发展及其基本知识12.1 LED的发展历程12.2 LED的工作原理、特性及其分类3第3章 LED照明系统的散热性研究73.1 LED的结温73.1.1 LED结温的产生73.1.2 结温对LED的影响83.2 LED的热阻103.2.1 LED照明的热阻模型及其构成特点113.2.2 热阻对LED芯片尺寸的影响123.2.3 常用热阻测试方法123.2.4 减少LED热阻值方法133.2.5 LED照明灯具散热系统研究14第4章 LED照明系统的电路设计164.1 照明用LED主要技术特性164.2 LED驱动电路技术174.2.1 LED驱动电路的基本原理174.2.2 LED驱动电路的要求194.2.3 LED驱动电路的设计21第5章 LED照明系统的组成285.1 LED的照明灯具285.1.1 LED灯具的特点285.1.2 LED灯具的功能295.1.3 LED灯具的基本介绍295.1.4 LED灯具设计的指标305.2 光源315.3 驱动器33第6章 LED照明系统的简单应用34第7章 结束语37答谢辞参考文献摘 要在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋。同时，国家也大力倡导节能减排，已结束的2008年北京奥运会和正在举办的2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这就给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。LED与传统光源相比，具有节能、环保、响应时间短、效率高、体积小、寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐,也成为当前各国半导体照明领域研究的热点。本文围绕LED用于照明灯的散热设计、电路设计、灯具设计、照明系统设计等关键技术进行研究,具体完成的工作归纳如下：1.研究了LED器件的光学特性、热学特性、电学特性。分析了LED的工作原理，对各项性能的研究。2.分析了PN结温度升高对LED性能的影响，讨论了LED灯具散热的重要性,研究了LED灯具的散热途径。分析了LED的热阻及其模型，热阻的测试和减小热阻的方法。3.分析了LED照明系统的设计，研究了LED照明系统的电路设计、灯具设计，讨论了驱动电路的工作原理和设计要求、灯具的设计功能和指标，通过灯具、光源、驱动器组成了一个照明系统。最后，对全文的工作进行了总结。关键词：LED；照明系统；驱动电路；散热；AbstractIn todays environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. The state advocate energy saving, has ended the 2008 Beijing Olympic Games and is being held in World Expo 2010 Shanghai Coincidentally, both the green energy theme this to the development of Chinas LED lighting industry brought great historical opportunity . Compared with the traditional light source LED, energy saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and good number of earthquake, and therefore, by the people of all ages, has become the national semiconductor lighting in the field of research. This paper focuses on LED lighting for the thermal design, circuit design, lighting design, lighting design, key technology research, the specific work completed as follows: 1. Of the optical characteristics of LED devices, thermal properties, electrical properties. The working principle of the LED, on the various properties. 2. Analysis of the PN junction temperature on the LED performance, discussed the importance of LED heat lamps, heat lamps of the LED channels. Analysis and model the thermal resistance of LED, thermal resistance and reduce the thermal resistance test methods. 3. Analysis of the LED lighting system design, research the LED lighting system, circuit design, lighting design, to discuss the driver circuit operating principle and design, lighting design features and targets, through the lamp, light source, the drive to form a lighting system. Finally, the paper summarizes the work.Keywords: LED；Lighting System；Drive circuit；Cooling第1章 前言 LED被认为是21 世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED 替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。第2章 LED的发展及其基本知识 图2-1 LED结构图LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 2.1 LED的发展历程图2-2LED发展史历程1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；研究被摒弃了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。 LED光源的正式问世是在上世纪60年代，当时所用的材料是GaAsP，发红光（p=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（p=555nm）、黄光（p=590nm）和橙色光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的发光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（p=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（p=530nm）的发光效率可以达到50流明/瓦。 LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。 近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。 目前在美国，户外照明所消耗的电量约占其总发电量的4.4%。正是基于这一情况，美国众议院最近提出了一份新议案，要求逐步淘汰能效低下的旧技术(如白炽灯和卤素灯)，为能效更高、更具成本效益的新照明技术(如高亮度LED)的发展铺平道路。在全球范围内，上至政府机构、工业和商业领域，下至普通大众都在积极寻求降低能耗的有效途径。最初的尝试主要放在容易实现的目标上，比如选择适当的住宅隔热材料、使用太阳能板以及节约能源等。如今，已有相对完善的法律规定，要求我们必须使用高能效的白色家电、适配器和充电器、消费类电子产品以及办公设备。近些年来，随着高亮度LED成本的不断下降，人们也开始对诸如标准家用灯泡等以前所接受的产品重新进行评估。在许多国家(包括美国、德国、英国、爱尔兰和澳大利亚)，新制定的能效标准已上升为法律，将有效禁止白炽照明的继续使用。美国众议院加利福尼亚州第36号选区议员Jane Harman在2009年3月26日发表演讲，提出了一项“户外照明能效法案”，该法案计划通过解决街道照明问题来逐步淘汰标准灯泡。新提案获得众议院通过后，第一期标准将会于2011年制定完成，随后的标准将分别于2013年和2015年制定完成。届时，美国能源部将会进一步提高能效标准。该法案还要求户外照明灯的亮度必须是可控制的，以便于用户更改它们的发光量，原因是人们在黄昏和深夜时分所需要的亮度水平是不同的。这一功能非常重要，因为它将赋予城市、县镇和其他用户对其用电水平更大的控制权。这项法案参照了加利福尼亚州已实施的相关法律以及其他州早已通过的户外照明标准。LED灯最早亮相街头要追溯到上世纪90年代，那时，城市当局开始使用固态照明设计来替换白炽交通信号灯。为了实现LED交通信号灯在其街道照明系统中的能源及维护节省，许多城市纷纷开展了范围广泛的LED路灯试验。2.2 LED的工作原理、特性及其分类（一）LED发光原理 发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-3所示。图2-3 LED发光原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （二）LED的特性 1极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2电参数的意义 （1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。 图2-4 LED光谱分布和峰值波长 由图2-4可见，该发光管所发之光中某一波长0的光强最大，该波长为峰值波长。 （2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。 （3）光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔. （4）半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。 半值角的2倍为视角（或称半功率角）。图2-5 LED半功率角图2-5给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。 （5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。 （6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 （7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图2-6表示。图2-6 LED V-I特性 在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。 （三）LED的分类 1按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 2按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。 3按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。第3章 LED照明系统的散热性研究LED在工作时会大量发热，散热不良将导致芯片结温迅速上升，环氧树脂炭化变黄，LED加速光衰，降低了LED的寿命，因而要解决散热问题。常用铝质基来给LED散热，这就牵涉到绝缘问题，如果绝缘不好会导致大量LED不通或者损毁。另外，用于隧道、偏远地区等潮湿、灰尘大的场合还要考虑放水、防尘等工艺。LED器件的散热途径主要是热传导和热对流。3.1 LED的结温LED是个光电器件，其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。3.1.1 LED结温的产生LED的基本结构是一个半导体的P-N结。实验指出，当电流流过LED器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度视之为结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结盟。在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：1、器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED器伯的串联电阻。当电流流过P-N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。2、由于P-N结不可能极端完美，器件的注入效率不会达到100%，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区也会向P区注入电荷（电子），一般情况下，后一类的电荷注入不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。3、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与器件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大部分光子（90%）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。4、显然，LED器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一个普通型的LED，从P-N结区到环境温度的总热阻在300-600/w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED器件，其总热阻约为15-30/w。巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。3.1.2 结温对LED的影响（1）对LED光输出的影响实验指出，LED的光输出均明显依赖于器件的结晶。当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小，而光结温下降时，光输出强度将增大。表（3-1）列出了相对于25而言100结温时不同波长响应的InGaAlP与InGaN LED的光输出通量的相对变化值。这种变化的数字表达式如式（1-1）所示 v(T2 )= v(T1)e-kT (1-1)其中v(T2 )与v(T1)分别表示结温T2与T1的光通量输出，k为温度系数，T= T2 - T1 。一般情况下，K值可由实验测定，对于InGaAlP LED,K值约为110-2，随发光波长的变短略有增加。式（1-2）指出了光输出通量结温变化的另一种表示形式T2=T1e-( T2- T1 /T0) (1-2) 表3-1 100结温时相对于25结温LED光通量的相对变化LED材料100/25InGaAlP590nm20%620nm30%640nm42%InGaN绿70%青80%蓝或白90% 这里T0表一种特征温度，T值与材料有关。实验指出，对于红色的InGaAlP LED，T0 =85，对于琥珀色InGaAlP LED，T0 55。而对于InGaN LED，T0 值约为840，表明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAlP器件，也即光通量随温度增加而减小的速率比InGaAlP小得多。 一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度变化，从而导致器件参数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小，电子迁移率也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复至初态值。（2）对发光波长和颜色的影响LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体，它们的性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：（T2）=（T1）+TK（nm/） （1-3） 其中：（T2） 结温T2时的波长 （T1） 结温T1时的波长 Kd，Kp 主波长与峰值波长随温度的变化系数表3-2 LED波长偏移系数器件颜色KdKp单位InGaAlP红+0.03+0.2nm/琥珀+0.04+0.15nm/InGaN绿0.040.05nm/青蓝深蓝表3-2指出了InGaAlP与InGaN器件主波长与峰值波长的K值，由表可知，对于InGaN与InGaAlPLED，峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化，其中InGaAlPLED尤甚。人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的，在蓝、绿、黄区域，很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化，从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求，一般来说，2-5nm的波长变化人眼就可以感觉到，而对红光波长的变化，人眼的感觉就要相对迟钝一些，但也能感觉到15nm的波长差异。为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度，有些公司的产品将颜色仓的波长间隔分得很细，仅为2-3nm，但对于红色区域，其间隔扩大到15nm。这就是说，为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求较高，而红色交通信号灯的颜色要求相对要低得多。（3）LED的正向电压与结温之间存在的关系正向电压是判定LED性能的一个重要参量，它的数值取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。相对于20mA的正向电流，通常InGaAlP LED的正向电压在1.8V2.2V之间，而发蓝、绿光的InGaN LED的正向电压处在3.0V3.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降由式（1-4）表示： V1 =（nkT/q）In（I1 /I0）+RsIf (1-4)式中V1 为正向电压、If为正向电流，I0 为反向饱和电流，q为电子电荷，K是玻尔兹曼常数，Rs是串联电阻，n是表征P-N结完美性的一个参量，处在1-2之间。分析式（1-3）的右边发现，只是反向饱和电流I0与温度密切相关，I0 值随结温的升高而增大，导致正向电压 V1 值下降，实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，二 正向压降与温度的关系可由式（1-5）表示： VfT =VfT0+K（T-T0 ） (1-5)式中VfT与V fT0分别表示结温为T与T0时的正向压降，K是压降随温度变化的系数对于InGaAlP与InGaAlP与InGaN LED其K值大致可由表1-3所示。 表3-3 InGaAlP与InGaN LED的电压温度系数器件颜色K单位InGaAeP红-2mv/琥珀InGaN绿-2mv/绿蓝绿蓝深蓝白温度的变化是可恢复的，但在高温情况下，由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚至出现恶性循环。通常，恒流是LED工作的较好的模式，如在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降与正向电增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。3.2 LED的热阻通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻。其数学表达式为： R0=T/PD （1-6）其中R0为节点1与2之间的热阻，T为节点1与2之间的温差，PD为二点间的热功率流，热阻的单位为/W，即二点间流过单位热功率流（W）所产生的温度差。显然，热阻R0越大，散热能力越差；反之，R0越小，散热能力越强。当电功率W=VFIF施加到LED上后，在器件的P-N结处将会产生大量的热，致使芯片温度迅速升高。由于器件良好的热特性，大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板、PCB散发到周围环境中去，从而抑制了器件芯片的升温。类同于电学中的电阻特性，热阻也存在着相同的运算法则。当n个热阻R01，R02R0n相串联时，系统的总热阻为所有热阻值的相加，即 R0总= R01+ R02+ R03+R0n （1-7）当n个热阻R01、R02、R03R0n相并联时，系统总热阻的倒数等于各个热阻的倒数之和。即 1/R0总= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+1/+R0n （1-8）显然，热阻是热学中的一个重要参量，实验上，只要我们测得二节点间的热功率流以及二个节点处的温度，我们就可根据式（1-6）求得该二个节点间的热阻。同样，只要知道某系统二个节点间的热阻与热功率流数值，我们就可以求得二点间的温差，并且可以根据某点处的温度，求得另一个节点的温度值。3.2.1 LED器件的热阻模型及其构成和特点 从LED器件的结构，可以建立它的热阻构成的模型。图3-1是一个典型的LED器件结构示意图。由图知，暂不计LED芯片有源层到衬底间的热阻，则芯片内部主要是衬底的热阻，我们用RS来表示；第二，衬底与引线支架间由于存在粘结层，因此衬底到支架有一个粘结材料引人的热阻，用Rx来表示；第三，安放芯片的支架到自由空间的热阻Rf，这三个热阻构成LED芯片PN结到空气之间的总热阻R，于是： R =RS+Rx+Rf （1-9） (1)衬底到支架的热阻。假定芯片衬底是一个200m的正方形，银胶的厚度为100m,已知银胶的导热系数为20W/m*k,可求得芯片衬底到支架的热阻为：Rx=h/银胶*s=0.1mm/20W/m*k*0.2mm*0.2mm125/W(2)LED衬底的热阻。 若LED衬底是GaAs，则GaAs18W/m*k,当厚度为0.2mm时，衬底的热阻：RS=0.2mm/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2138/W(3)支架的热阻。铁支架到空气的热阻可求得为4.2/W，这个LED的总热阻R=RS+Rx+Rf=267/W。这个LED当使用环境温度为65时，它最多能承受的电功率小于0.2W。上面讨论中，还未计人芯片有源层本身的热阻，只是这一层比较薄，尽管也是GaAs材料，由于厚度公几十微米，其热阻较衬底45倍，约在30/W左右。可以看出，普通封装的LED其总热阻在300/W左右，只适用于小功率使用。根据上述的热阻模型，LED的热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的粘合材料引起的热阻，对于功率LED要降低热阻除加大衬底面积（即芯片面积）外，用高导热系数材料作衬底，及用高导热系数的合金材料作粘结料是降低LED热阻的主要途径。例如，用导热系数为75W/M*K的硅材料作衬底，在芯片面积为1mm2,硅衬底厚度为0.8mm时，衬底的热阻RS为：RS=h/si*s=0.3*10-3/75*1*10-64/W这就比常规0.2mm*0.2mm面积的GaAs衬底热阻低得多。若再用纯锡（Sn）作衬底与支架的焊料时，粘结层热阻Rx就为：Rx=h/si*s=0.2*10-3/76W/m*k*1*10-62.6/W这样，功率LED的总热阻有望可以控制在46/W以内， 此时热阻主要贡献在于芯片材料本身。目前已有热阻低于40/W的封装，但这要求LED芯片在衬底材料和粘合材料上改进，前者用硅作衬底，后者用AuSn或铅锡（PbSn）等合金材料用合金工艺来将芯片粘结在引线支架上，取代常规的银胶。3.2.2 热阻对LED芯片尺寸的影响 l 倒装焊更有利于散热，但凸焊点的热阻还需减小。l 导热银胶的热阻有待改善。l 封装材料方面，传统的环氧胶高温性能不佳。图3-2 热阻对LED芯片影响功率芯片尺寸的增加受限于器件导热能力；常规的工艺与材料，则芯片功率1瓦较为合适；单个器件功率的增加将以缩短寿命为代价；3.2.3 常用热阻测试方法根据LED的热阻公式：R= T / W （1-10）式中，T结=T T环境 ，W为输入电功率，一般情况下，W=V*I，其中V是外加电压，I为正向电流。由于式（1-10）中，T 是可以测得的，W也可通过计算求得。因此我们只要测出PN结T，就可以求得LED的总热阻值R，一个简单而直接的办法是采用微型热偶或红外测温显微镜，直接测得LED芯片表面的温度，并将此温度视为芯片结温。然而，此方法显然有些粗糙，并且对于一个现成的LED管难于直接测量芯片表面的温度。通常可利用确定电流下的正向偏压与结温之间正比变化的关系来判定LED的结温。根据PN结的电流公式，LED的VF可以表示为： VF=KT/q*InIF/IF(0)=KT/q*C （1-11）式中用C=In IF/IF(0)，当IF为常数（即恒流情况下）时C为常数。对（1-11）式求温度T的导数可以得： dVF / dT = k / q * C （1-12） 对一个LED来讲，（1-12）式是线性关系，大量测试证明LED的VF温度系数：dVF/dT 1.8 mv/2mv范围内的负温度系数，基本上是一个可预知的数。一般可取dVF/DT=2mv/,作工程近似计算数值。我们在被测LED上施加不足以引起PN结温升的恒定较小的电流（例如IF=1MA），并将被测LED放置在温度可调节的恒温槽（或箱）内测出不同Tj下的VF值。可以发现它符合（1-12）式的规律，可做由图1所示的VFT 曲线：假设被测LED在Tj = 100时，其VF=1.7V,在20时,其VF = 1.7V80*2mv/=1.86V。第二步可以对被测LED在常温下施加足够大的电功率P0，使其温生提高，当达到温度平衡时，此时快速切断这一电功率，并转换成IF在小电流状态，迅速测出其VF，例如测得VF=1.70V，则可以知道，在功率P0使然下，LED PN 结温上升达到100，p0作用下温度从常温25上升到Tj=100。于是就可以计算出这个LED PN结到空气间的热阻（总热阻）假设P0=1W时有： R=Tj/P4=（10025）/1W=75/W以上就是测量热阻的一个更为常用的方法。3.2.4 减小LED的热阻值方法对于一个LED管，设法降低PN结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散热到环境中去、大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。显然、相关材料的导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。表3-4 LED衬底材料的热导系数：材料SiAl2O3GaAsSiC热导系数（w/mk）75251849表3-5常用热沉材料的热导系数：材料碳铜黄铜铝合金金银锡锌纯铜纯铝纯铁热导系数（w/mk）36.739.210916231542742712139823681.1表3-4、表3-5指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为2030 w/mk与1525 w/mk。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值： R=h/*s式中 为物体的热导系数，单位为w/mk（瓦/米*度）。S为物体截面积单位为（平方米）。H为导热路径上二个节点间的距离，单位为m（米）。显然为减小LED的总热阻，应设法减小芯片PN结到环境之间的距离，增大散热通道面积及采用高热导的材料，由于LED的衬底材料GaAs、蓝宝石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相继开发了去除GaAs衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替代胶结等新技术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。由表3-5可知，纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED支架与热沉的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件的总热阻。实验指出，散热面积越大，热阻越低。另外，通过风扇使环境气氧产生了强制交换，也是减小阻的有效途径。3.2.5 LED照明灯具散热系统研究散热是led路灯要重点解决的问题。led是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，但是，led本身耐温能力比较差，所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去，保证芯片工作在安全的温度环境下，这样led灯才能真正的体现出长寿命的优势。led的管芯和涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐温能力。但是，led的外壳和管芯之间存在热阻，这个热阻使led在使用时外壳和管芯之间出现温差，管芯的温度会高于外壳温度。由于发光管生产技术的进步，大功率发光管内部的热阻越来越低，目前1瓦的发光管的热阻普遍在15度/瓦以下，也就是说，给1瓦的发光管加1瓦的电功率，管芯比管壳的温度只高15度。按照目前发光管管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150度就能长期安全的工作。这样推算，外壳温度135度时可以安全使用。但是，由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过70度，这样管芯温度只有85度，发光管的透明封装材料也不会快速老化。长期稳定工作没有问题。因此，没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低，但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻，这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。要有效的