LED光電轉換效率測試及應用研究

張靈改

ZHANG Ling-gai

（集美大學 誠毅學院，廈門 361010）

0 引言

發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）是21世紀最具發(fā)展前景的新型冷光源，由于它節(jié)能、環(huán)保、綠色無污染照明，使得LED成為當今世界上替代傳統(tǒng)光源的新一代照明光源[1]。

LED照明產品需要較短的開發(fā)周期來響應市場需求，利用CFD仿真軟件全面分析LED燈具的熱傳導、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內外的溫度場和流場等，適用于所有LED室內照明燈具的開發(fā)設計[2]，可以有效地縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)費用，因此該方法普遍為國內外照明廠家采用。在CFD散熱仿真過程中，熱量計算是十分重要的，因為它決定了整個燈具系統(tǒng)中熱載荷的大小。行業(yè)內目前對在散熱仿真的熱量評估方法比較簡單，通常設定光電轉換效率的20%～30%[3,4]，或根據LED封裝生產廠家給出的一個光電轉換效率來估算熱量，而實際情況受到光電參數、燈具結構、工作環(huán)境溫度等的影響，光電轉換效率會出現較大的偏差。同時，LED供應廠家提供的數據往往都是瞬態(tài)、常溫（冷態(tài)，25°C，下同）時的測試結果，如表1所示的一款三星5630 LED（3000K）的測試數據，通過對比數據，同樣的電流輸入情況下，瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數據存在較大的差異。

因此，為了準確評估光源所產生的熱量，保證CFD散熱模擬仿真的準確性，需要對所使用LED進行相應的光電轉換效率測量實驗，以獲取較為準確的數值。

1 測試系統(tǒng)－HAAS-2000

遠方光電的HAAS-2000[5]高精度光譜分析系統(tǒng)采用高精度TE-cooled面陣CCD探測器和歐洲定制平場凹面衍射光柵，可以實現在極短的測量時間內，精確測量LED的光譜、光度和色度特性。HAAS-2000還可同時實現LED的穩(wěn)態(tài)測量和脈沖測量，帶有恒溫加熱測試夾具，可以模擬實際工作溫度下的LED光學測量，恒溫加熱溫度范圍為5°C～90°C[6]，符合本文試驗LED測試需求。HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)如圖1所示，主要組成為LHS-1000供電熱測試系統(tǒng)、0.5mm遠方光學積分球、TC-100大功率LED溫度控制器、HASS-2000光譜儀以及LHS-1000 LED光電熱綜合測試系統(tǒng)軟件組成。

表1 三星5630 LED（3000K）光電參數

圖1 Hass-2000高精度光譜分析系統(tǒng)

2 測試用LED

LED室內照明燈具光源從早先常用的2020、3014、2835等中小功率發(fā)展到現在普遍采用的3030、5630、3535等中大功率LED型號，主要是受益于光電轉換效率的提高、芯片尺寸加大以及散熱結構的優(yōu)化等技術進步。本論文選用現在室內照明燈具常用的3030、5630 LED型號作為試驗對象，供應商為韓國首爾半導體。產品圖片如圖2所示，產品參數如表2所示[6,7]。

圖2 首爾半導體LED

3 施加溫度載荷的LED光電轉換效率測試實驗

3.1 常溫下LED光電轉換效率測試

首先進行常溫下LED光電轉換效率測試，即承載待測試LED的熱沉溫度為室內溫度（本實驗為數據分析需要，利用TC-100大功率溫度控制器熱沉溫度控制為25°C，如圖3所示）。此部分實驗測試結果雖然與實際應用情況有所差別，但仍然能看出電流應力對LED光電轉換效率的影響趨勢，同時需要與在施加溫度應力情況下的LED光電轉換效率測試數值進行比對分析，所以還是需要進行常溫下實驗測試，常溫下LED光電轉換效率測試結果如圖4所示（每組測試LED樣品為3個后取各參數平均值，以下類同）。

圖3 熱沉溫度控制系統(tǒng)

圖4 常溫（25°C）下LED光電轉換效率測試

表2 首爾半導體3030、5630 LED規(guī)格參數

3.2 施加溫度應力下LED光電轉換效率測試

施加溫度應力下的LED光電轉換效率測試，即與實際LED產品應用情況相似，得出的實驗測量數值具有較好的實踐參考意義。承載LED的熱沉溫度人為控制到一穩(wěn)定溫度數值后再進行測量，此熱沉溫度可相當于實際應用過程中鋁基板溫度（誤差不可避免會存在，但已較為接近）。廈門大學呂毅軍教授團隊曾研究了發(fā)光效率與電流、熱沉溫度等的關系[8]，但該研究在5年前，產業(yè)化LED的內量子效率得到較大的提升，因此為了LED燈具散熱建模仿真熱量計算的依據更為準確，進行本次測試實驗工作。

每次對待測LED樣品進行點亮測試之前，先將溫控熱沉加熱到實驗所需設定溫度。此溫度僅為熱沉溫度，若要反應到PN結溫度，需要加上接觸熱阻和封裝熱阻，封裝熱阻由LED供應商可以查詢獲得，也可以通過T3ster熱阻測試儀測得[10]；接觸熱阻為待測LED樣品與熱沉間的導熱介質熱阻（本實驗為0.05mm、1W/m.K的導熱硅脂）。在LED產品實際應用過程中，通過接觸式測量（熱電偶）可測得較準確溫度點也基本為鋁基板，所以本實驗溫度控制參考基準也以鋁基板為主。根據實際LED照明產品應用中鋁基板溫度范圍，溫度控制選擇45°C、55°C、65°C、75°C四個檔的溫度應力，實際使用中其他溫度可以根據線性計算獲得。

4 數據分析

在施加電流應力下測試LED樣品光電轉換效率測試（每種型號測3個樣品），根據LED照明產品中的電流使用情況，電流控制選擇75mA、100mA、125mA、150mA四個檔的電流應力分別進行測試。

本研究選用的待測LED產品是首爾公司GaN基白光LED5630（3000K，6000K）、3030（3000K，6000K）四種共12個，LED施加溫度應力和電流應力的光電轉換效率測試結果如圖5～圖8所示。

從圖5～圖8的數據結果表明，LED光電轉換效率受電流應力和溫度應力的又重影響，在做好LED應用環(huán)境的散熱設計同時，也要關注所使用的電流大小，保證產品的能量利用率。

5 結束語

圖5 不同溫度下LED光電轉換效率測試（5630-3000K）

圖6 不同溫度下LED光電轉換效率測試（5630-6000K）

圖7 不同溫度下LED光電轉換效率測試（3030-3000K）

圖8 不同溫度下LED光電轉換效率測試（3030-6000K）

本實驗研究針對常用（在用）LED產品進行測量分析，得到較為準確的在特定電流應力和溫度應力下的LED光電轉換效率，能夠有效提高散熱模擬仿真準確性。在需要相關的LED光電轉換效率值，可從四個測試結果圖表中查詢所需要的數值，可以保證該類型LED的燈具EFD熱仿真或熱阻推算過程中應用需求。但是考慮到測試樣本數水平及LED產品型號有限，后續(xù)有新的LED應用到燈具當中，要按照本文方法重新進行相關測量，才能較為準確地獲得其實際應用過程中的光電轉換效率。

[1]陳杰.LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究[J].照明工程學報,2013,24(3):81-86.

[2]?；萍?LED燈同步CFD分析解決方案[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/514e783b5901020207409ca2.html(百度文庫),2012-7.

[3]Arik M,Beckerb C,Weaverb S,et al.Thermal management of LEDs:Package to system[J].Proc SPIE,2004,5(187):64-75.

[4]Lin M.T.,Ying S.P.,Lin M.Y.,et al.High power LED package with vertical structure[J].Microelectronics Reliability,2012(52):878-883.

[5]遠方光電.HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(實驗室級)[EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=94&fid=7.

[6]遠方光電.TC-100大功率LED溫度控制器 [EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=128&fid=14

[7]Seoul Semiconductor.Specification SSCSTW8C2SA(3030)[EB/OL].

[8]Seoul Semiconductor.Specification STW8Q14BE(5630)[EB/OL].

[9]呂毅軍,雷瑞瑞,高玉琳.功率LED發(fā)光效率分析[J].光學學報,2009,29:13-17.

[10]殷錄橋,張金龍,宋朋.熱界面材料對高功率LED熱阻的影響[J].光電子.激光,2013(10):234-239.