提高大功率白光LED發光效率技術研究*

齊向陽，白廣新

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

提高大功率白光LED發光效率技術研究*

齊向陽，白廣新

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

從封裝、驅動和散熱3方面研究提高大功率LED發光效率的技術，采用遠程熒光技術、脈沖驅動技術及單芯片集成半導體制冷技術，可有效提高大功率白光LED的發光效率．在研究國內外提高大功率LED發光效率技術的基礎上，針對1W白光LED進行了理論分析，表明單獨采用遠程熒光技術，光效增加月15%；單獨采用大功率白光LED脈沖驅動技術，光效提高約20%；單獨采用單芯片集成半導體制冷技術，光效增加約30%；綜合采用這3種技術，光效可提高約79%．

大功率白光LED，封裝，遠程熒光，驅動，散熱

1 國內外研究現狀及存在的問題

LED光源作為第四代光源，具有高光效、體積小、壽命長、等優點，因此大功率LED光源有取代熒光燈等氣體放電燈的趨勢．但是，目前大功率LED尚未能在通用照明領域得到普及，其中一個根本原因是，大功率LED的電光轉換效率只有20%左右，剩余的能量轉化為熱能，使得LED芯片發熱，導致 LED可靠性及光電轉換效率降低，色溫變差等．

1.1 LED封裝方面

目前，絕大多數大功率白光LED的發光機理是采用藍色大功率 LED，激發熒光粉發出黃色光，藍色光與黃色光混合為白光．熒光粉采用點膠工藝直接涂敷在 LED晶片表面，熒光粉緊貼LED發光晶片，這樣使得LED晶片發射的光和晶片激發熒光粉發出的光經散射返回到芯片而損失掉．同時，較高的晶片結溫使熒光粉的溫度較高，導致熒光粉的發光效率降低．

為解決熒光粉體緊貼 LED發光晶片導致發光效率降低的問題，文獻[1]提出用環氧樹脂隔離LED晶片及熒光粉層的熒光粉遠離LED芯片的方法．由于熒光粉遠離芯片，較高的芯片結溫對熒光粉的影響小，這樣，熒光粉層的溫度較低，熒光粉的發光效率提高了20.3%．文獻[1]的最大實驗電流是60mA，而1W大功率白光LED的額定電流是350mA．

有研究提出白光LED遠程熒光技術[2]，即將熒光粉涂敷在遠離LED晶片的基板上，而不是直接涂敷在LED晶片上．目前只有國外某公司擁有成熟技術，該公司稱其發高效率提高了30%．

1.2 LED驅動電路方面

文獻[3]對大功率 LED進行了脈沖驅動的一些基礎研究，表明其發光指標得到改善，溫升降低，該文沒有說明發光效率提高了多少．

1.3 LED芯片散熱方面

散熱對LED芯片具有重要意義，研究[3]表明，當LED的結溫超過125℃，LED的發光效率就會顯著下降，故障率較之100℃會上升2倍以上．熱電制冷可以用于LED散熱．國內主要是用大尺寸制冷片對LED組合來進行制冷．文獻[4]對9個1W的LED芯片模組熱電制冷進行了分析和實驗，結果表明制冷效果明顯，溫度降低36%．也有用單個制冷片對單個大功率LED進行散熱的[5]，該文的實驗中，銅基板溫度達40℃時，使制冷片工作，銅基板溫度降低至30℃．文獻[6]提出了一種1WLED的集成微型熱電制冷方法，在較低的熱電制冷功率（0.55W）下，LED的光效是沒有熱電制冷的1.3倍．但這種集成制冷方式，還不夠集成．

2 提高大功率白光LED發光效率的主要方法

2.1 大功率白光LED遠程熒光封裝技術

本研究白光LED采用1W功率，熒光粉層采用平面圓形基板，整體遠程熒光系統采用杯燈形式，如圖1所示．遠程熒光系統包括3個主要組成部分：藍色LED、混光室及遠程熒光粉光源元件（如遠程熒光板）．研究結果見表1．

1）研究減少熒光粉涂敷量的工藝．

2）進行目前市場上已有1W藍光LED晶片及熒光粉的配合測試，從中找出能夠用于遠程熒光技術的配合．熒光粉的發光光譜不同，應選擇發光光譜一致的藍光LED，以達到最佳熒光粉激發效果．

測試發光效率—LED晶片跟熒光粉間距離的關系曲線，以確定熒光層跟LED晶片的最佳距離．分析表明，測試發光效率—熒光層跟LED晶片間距離呈倒V型關系，原因是：當熒光粉貼近LED晶片時，LED晶片發射的光和晶片激發熒光粉發出的光經散射返回到芯片而損失掉．同時，較高的晶片結溫使得熒光粉的溫度較高，也導致熒光粉的發光效率降低．且隨著距離的增大，發光效率增大．當距離增大到超過某一值時，熒光粉對藍光的吸收成為影響光通量的主要因素，此時隨著距離的增大，發光效率反而減?。?/p>

3）找出目前藍光LED晶片及熒光粉的配合問題，給大功率LED及熒光粉的改進提供方向．

表1 研究結果對比

4）研究遠程熒光系統里的混光室．

由于混光室本質屬于二次成像系統，而國內對二次成像的研究比較多，產品也多樣．可以廣泛測試已有的可以用于混光室的結構和材料，從中找出改進的方向．對改造過的不同的混光室結構和材料進行測試．

2.2 大功率白光LED脈沖驅動技術

在遠程熒光技術的基礎上，研究1W白光LED芯片的脈沖驅動技術，采用峰值為800 mA的脈沖電流（1/10工作周期，0.1ms脈沖寬度）來驅動，研究結果見表1．

1W白光LED采用直流驅動時，正向電流IF不能超過350mA，采用脈沖峰值電流（1/10工作周期，0.1ms脈沖寬度）IFP不能超過1000mA，留20%的余量，取脈沖峰值電流為800mA．

隨著 LED正向電流的增加，其光通量增加明顯，用大的脈沖電流驅動，從光效上來說，跟增加正向直流電流相當．如圖2所示，電流增加2倍，光通量增加1倍左右．

2.3 大功率白光LED半導體散熱技術

在遠程熒光技術以及脈沖驅動的基礎上，研究改善LED晶片散熱的技術．

采用微型半導體制冷片，對單個的 1W 白光LED進行集成半導體制冷．研究結果見表1．LED芯片（未進行封裝）采用1W方形芯片，工作電壓為 3.0~3.4V，尺寸為 45 mil×45 mil（1.143mm× 1.143mm）．其波長為450~460 nm，發藍色高亮光．

圖1 平面圓形遠程熒光技術

圖2 陶瓷1W 白光LED 正向電流跟光通量的關系曲線

半導體制冷片采用一種薄膜TEC（半導體制冷器），制冷片面積、厚度及驅動電流分別為2.0 mm* 1.0 mm，0.46mm，0.2A．制冷量可以達到600 mW，電壓在3V左右．

選用的半導體制冷片尺寸大于LED芯片，這樣可有效對LED芯片進行散熱；兩者的工作電壓都是 3V，使得驅動電路簡單．從散熱量來說，600mW的制冷量可以對1W的LED進行有效散熱．半導體制冷片用恒流驅動，通電后，一個面是發熱面，另一個面是制冷面，把制冷面用導熱膠粘貼在LED晶片的襯底，如圖4所示．

圖4中的熱敏電阻用于對LED晶片的溫度進行控制，只在LED晶片的溫度過高時，啟動制冷片來降溫．

為測試制冷效果，需要進行溫度測試，方法有2種．

圖3 LED脈沖驅動電路框圖

圖4 單個LED晶片半導體制冷結構圖

一種是采用熱電偶測試，這種測試無法直接測量LED晶片結溫，只能通過測試表面器件如銅基板或者半導體制冷芯片冷面的溫度來估算 LED結溫．另一種是用紅外照相機來記錄LED封裝的熱成像，這種方法能直接測量包括LED芯片結溫在內的各個封裝部分的溫度．

3 結 論

本文提出的3種方法，能有效提高大功率白光LED的發光效率．分析結果顯示：

采用遠程熒光技術，光效增加15%左右．

采用大功率白光LED脈沖驅動技術，光效提高20%左右．采用遠程熒光技術+脈沖驅動技術，光效提高38%左右．

采用單芯片集成半導體制冷技術，以1W LED +0.6W微型半導體制冷片集成為例，光效增加30%左右．

采用遠程熒光技術+脈沖驅動技術+單芯片制冷技術，光效提高約79%．

[1] 劉麗，吳慶，黃先，等．白光LED熒光粉涂敷工藝及光學性質[J]．發光學報，2007，26（6）：890-894．

[2] 施豐華，王海波．白光LED用遠程熒光技術[J]．中國照明電器，2012（04）：6-8．

[3] 王峰，梁楚華，郭延生，等．大功率LED脈沖驅動電源技術的研究[J]．電子技術應用，2008（06）：67-70．

[4] 田大壘，關榮鋒，王杏，等．基于熱電制冷的大功率LED散熱性能分析[J]．電子與封裝，2009，9（1）：35-37．

[5] 唐政維，黃瓊．一種采用半導體制冷的集成大功率LED[J]．半導體光電，2007，28（4）：471-473．

[6] Liu C K, Dai M J, Yu C K, et al. High efficiency silicon-based high power LED package integrated with micro- thermoelectric device[C]//Proc of IMPACT, 2007：29-33．

Research on Improving the Luminous Efficiency of High Power White LED

QI Xiangyang, BAI Guangxin

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Luminous efficiency of high power white LED is studied from three perspectives including package, driving and heat radiation. By adopting technologies such as remote phosphor for white LED, pulse driving and single chip integrated semiconductor refrigeration, the luminous efficiency of high power white LED can be effectively improved. Theoretical analysis is made on 1W white LED, and it is pointed out that luminous efficiency can be increased by 15% or so with remote phosphor, 20% or so with pulse driving, 30% or so with single chip integrated semiconductor refrigeration, 79% or so with them all.

high power white LED; package; remote phosphor; driving; heat radiation

TN383.1

A

1672-0318（2014）05-0021-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 005

2014-04-17

*項目來源：深圳市2012年戰略性新興產業發展專項資金項目（JCYJ20120823172559906）

齊向陽（1969-），男，河南人，碩士，副教授，主要研究方向為電力電子技術．