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灯具寿命电能大功率LED的散热设计

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近年来,大功率LED发展较快,在结构和性能上都有较大的改进,产量上升、价格下降;还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较,在发光效率上有长足的进步。例如,Edison公司前几年的20W白光LED,其光通量为700lm,发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED,其光通量为6000lm,发光效率为60lm/W。又例如,Lumiled公司最近开发的K2白光LED,与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出:K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XR~E冷白光LED,其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107~114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

  

前几年,各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。如1~5W的灯泡、15~20W的管灯及40~60W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED,生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大,并且亮度不足。为改进上述缺点,这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。例如,用18个2W的白光LED做成的街灯,若采用Φ5白光LED则要几百个。另外,用一个1.25W的K2系列白光LED,可做成光通量为65lm的强光手电筒,照射距离可达几十米。若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

  

  图1 结温TJ与相对出光率关系图

  用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多,但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具,其一次性投资较高,但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

  目前主要采用1~3W大功率白光LED作照明灯,因为其发光效率高、价格低、应用灵活。

  大功率LED的散热问题

  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。

  

  另外,一般功率器件(如电源IC)的散热计算中,只要结温小于最大允许结温温度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散热设计中,其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响:TJ越高会使LED的出光率越低,寿命越短。

  

  图2 K2系列的内部结构

  图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。在TJ=25℃时,相对出光率为1;TJ=70℃时相对出光率降为0.9;TJ=115℃时,则降到0.8了。

  表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系(不同LED生产厂家的寿命并不相同,仅做参考)。

  

  图3 NCCWO22的内部结构

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