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LED路灯散热新方案——LED路灯散热模组

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与传统光源一样,半导体发光二极体(LED)在工作期间也会产生热量,其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下,电子和空穴的辐射复合发生电致发光,在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等,最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能,其余60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

LED发热对寿命的影响

一般来说,LED灯工作是否稳定,品质好坏,与灯体本身散热至关重要,目前市场上的高亮度LED灯的散热,常常采用自然散热,效果并不理想。LED光源打造的LED灯具,由LED、散热结构、驱动器、透镜组成,因此散热也是一个重要的部分,如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响。

●热量管理是高亮度LED应用中的主要问题

由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高启动能,热量特别容易在p型区域中产生,这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散;LED器件的散热途径主要是热传导和热对流;Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加,产生严重的自加热效应,对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。

●热量对高亮度LED的影响

热量集中在尺寸很小的芯片内,芯片温度升高,引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降;当温度超过一定值时,器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。

●芯片尺寸与散热的关系

提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率,而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸;增大输入功率必然使结温升高,进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力、在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下,单独增加芯片的尺寸,结区温度将不断上升

新型LED路灯散热模组

目前LED路灯的散热方式主要有:自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。但是它们都有很多不足的地方,风扇散热方式系统复杂,可靠性低,经常是风扇的寿命比芯片还短,早已被业界抛弃。热管散热虽被业界所接受,但效果较为牵强。另外还有一种是用散热片散热,但因表面积有限,效果还是不尽人意。

1、该散热结构引导热量以发热体为中心轴起点向上及其周围散发,整个结构称为放射性太阳花圆柱结构,把表面积最大化,有利于热量向空气扩散。

2、该散热器采用特制的高散热铝合金材料,铝是散热及其他性能相对较好的金属,富亿通通过表面特殊的处理,它们几乎不会腐蚀,寿命无限长。

3、本解决方案创新性地在散热器中心加入特殊的介质,利用某一物理原理迅速地将热量传遍整个散热器灯壳内表面,再由高散热材料的鳍片和空气交换把热量带走。利用这种结构可以通过增加散热器的长短来控制LED的温度,使得LED的温度接近常温30度。

结点温度越低,衰减量和寿命性能表现越好,图中红点为现在一般的大功率集成封装式LED,黄点为多颗小功率分散型LED,绿点为富亿通大功率集成封装式LED灯具,本解决方案能够达到40度,理论上寿命可以达到50万小时。

“这种新的散热结构可以真正把光衰寿命做到十年以上,通过增加散热器的长度,该方案可以用在1000瓦以上的投射灯、探照灯上,我们正在开发400W、 600W、800W、1200W以上的投射灯、探照灯,九月的光博展将会与大家见面”蔡州补充道。据悉,这款解决方案不但可以用在LED路灯,还可以用在其他超大功率LED灯,如运动场、机场、码头、大桥投射灯,高尔夫球场灯、RGB舞台灯、RGB景观投射灯、广场灯、军事探照灯等,它们都需要良好的散热性能。

看好大功率集成封装式LED路灯当前市场的路灯主要有两种:多颗小功率LED组合路灯和大功率集成封装式LED路灯。虽然后者视觉效果较好,但是由于散热问题,以勤上光电为代表的中国大陆主流LED路灯厂家都选择了多颗小功率LED组合路灯,做集成封装式LED路灯的国内外只有少数几家。

多颗小功率LED组合路灯容易解决散热,单个芯片封装流明值高。但是视觉效果差,满天星,路面影子重叠,容易造成司机的视觉疲劳或眼花,且灯具电路系统复杂灯具电路端口较多,可靠性降低;电路不易实现调光,容易损坏,电源转换率低85%左右。

大功率集成封装式LED路灯视觉效果好,有反光杯的遮挡,避免眼睛直视强光点,但是对散热的要求很高,多个芯片集成封装流明值目前相对较低。在光色和照明质量上,集成封装式LED光源表现出独特的优势:同一个灯具中不会出现光色不均匀的现象,光源发射出的光在照射平面内均匀透彻,具有很好的视觉舒适性,不会出现困扰组合式灯具的重影现象,由单一驱动器驱动,端口少,可靠性强,线路布置在光源内部不会出现电磁干扰;可方便的实现无极调光功能;电源转换率高95%左右等优点。