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LED路灯的技术要点分析

  • 发布时间:2016-8-1    浏览次数:412次



  • 目前,用于道路照明的传统光源主要是高压钠灯,LED路灯主要在一些支干道上进行了试点应用,但两者已表现出明显的优劣差异。在光效方面,高压钠灯最高可达140lm/W,比目前商用大功率LED的光效100lm/W高,但LED的显色指数(约80)要远远超过高压钠灯(约25),且在相同照度下,白光LED更有助于司机或行人识别目标,其道路照明效果和舒适度要远高于高压钠灯。在灯具效率方面,高压钠灯采用球面发光设计,综合考虑反射器效率,高压钠灯的灯具效率一般仅有70%.但LED是定向出光,如采用恰当的配光设计,大部分光线会直接投射到路面,灯具效率能达85%以上。

      所以,仅从光效和灯具效率来看,就可见LED路灯取代传统路灯光源的巨大潜力。为此,本文将从中山大学半导体照明系统研究中心在LED照明应用的研发过程中对配光、电源和散热等三个关键技术所取得的研究成果来重点阐述“十城万盏”示范应用工程关系密切的“LED路灯”的技术路线和技术支撑。

      配光

      通过光学设计获得蝙蝠翼型光强分布

      目前市场上的LED路灯,其光源部分主要分两种方式:单颗1W大功率白光LED阵列和大功率集成封装光源模组。尽管LED路灯的国家标准还没有出台,但LED路灯的配光在参考传统光源道路照明标准要求时要实现以下目标:合适的平均路面亮度;高的总照度均匀度和纵向照度均匀度;合适的环境比;眩光控制等。

      从配光曲线上看,要实现以上目标主要是通过合适的光学设计以获得蝙蝠翼型光强分布,从而在路面上获得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封装透镜(即一次光学透镜)不适合直接应用于LED路灯上,所以在每一个大功率白光LED的一次光学透镜上还要添加二次光学透镜,目前“花生米”型的二次光学透镜能达到较好的效果。

      中山大学半导体照明系统研究中心开发的设计思路是不采用单独的二次光学透镜,而是在一次封装的LED的发光光源外直接设计波浪形光学透镜面罩,利用透镜面罩来达到整个LED路灯发光光源的二次光学透镜的功能。

      随着封装产业向下游应用产业的需求靠拢,中山大学半导体照明系统研究中心还开发设计特殊形状的一次光学透镜,在LED芯片封装时直接安装,具有体积小、成本低的特点,完全符合LED路灯和道路照明要求。
    随着封装技术的进步,白光LED的封装方式由单颗1W大功率LED器件逐渐转向大功率集成封装光源模组。目前的大功率集成封装光源模组的功率最高可达100W以上,但这类光源由于发光面积较大,为光学配光设计带来困难。

      中山大学半导体照明系统研究中心开发的红光增强的大功率白光LED智能控制系统技术,可以获得显色指数90以上,相关色温2500~8000K可调的光源模组。该技术利用在封装基板上集成光电转换芯片,实时监控光源模组的白光色度学参数,光电转换芯片将探测到的白光色度学参数的变化反馈给智能控制系统,系统通过计算后保证灯具能输出最优色度学性能的白光,可以保证光源模组输出保持设定的相关色温范围和显色指数;封装基板上还集成了温度传感芯片来实时探测封装基板的温度,实现对大功率LED芯片结温的间接监控,当结温超过系统预设的温度时,系统可以自动调节散热系统的散热途径或降低LED的功率。该光源模组可以由单颗1W大功率白光LED阵列的方式或大功率集成封装光源模组的方式组成,已经运用在LED路灯上。

    电源

      加强驱动电源可靠性设计 匹配LED寿命

      目前主流的LED路灯采用交流电供电,交流电LED路灯存在一个共性问题,就是难以保证驱动电源寿命与LED的寿命相匹配。因为交流电必须经过开关电源的整流滤波才能变成直流电,而开关电源中必须采用电解电容来滤波。一般的电解电容寿命只有8000小时,远远小于LED的理论寿命50000小时。而且环境温度每升高10℃,电解电容的寿命就降低一半,使得整个LED路灯系统的寿命必然会受到电解电容的拖累。因此,制约LED路灯寿命的一个重要因素就是驱动电源的可靠性设计。LED路灯在室外环境下保证电源的可靠工作,一般需要从高效率、高功率、长寿命、过压过流、隔离、浪涌、过温、防护方面、符合安规和电磁兼容的要求等几方面进行考虑。

      对于大功率LED路灯,无论其光源部分采用单颗1W大功率白光LED阵列方式或大功率集成封装光源模组方式,其主流的电源驱动方式是采取恒流驱动。一般通行的电路结构又由一个恒压源提供若干个恒流源,每个恒流源单独驱动一路串联的LED和市电直接转为恒流,LED以串并联组合的方式运行两种。

      对于采用单颗1W大功率白光LED阵列的这种方式,恒压源为传统的开关电源架构相对成熟;而相配的恒流源部分为直流降压型,效率能达到95%以上,另外所占的电路空间较小,既可以与恒压源部分组合在一块,也可以与LED集成在一起,具有较大的灵活性。每一路LED电流可独立控制,保证灯具整体发光一致,但是成本会稍高一点。

      对于大功率集成封装光源模组方式,又分为隔离型和非隔离型两类,前者成本以及效率方面有优势,但由于是非隔离的,供电不稳,尤其是晚上电压较高或雷雨时产生的浪涌,容易造成LED光源连同电源一起损坏。而后者虽然效率较低,电路复杂度较高,但可靠性得到保证。无论是隔离型还是非隔离型的交流-直流恒流源,由于路灯上的LED数目由几十到上百个,所以后端LED要考虑串联和并联相结合,于是不可避免地使得并联各路电流不一致。目前,这两种方式的电源并存。多路恒流输出的方式,在性能以及可靠性方面较好,将会是以后LED路灯电源驱动主流发展方向。

      挖掘电池潜力 延长太阳能路灯寿命

      随着太阳能这一新能源的发展,各地的太阳能LED路灯也逐渐兴起,太阳能电池的低压直流、长寿命的特点正好与LED相匹配。但是太阳能LED路灯系统中依然存在寿命瓶颈,就是铅酸蓄电池。一般的铅酸蓄电池的寿命为500个充电循环,大概在2年左右,约5000小时。中山大学半导体照明系统研究中心开发的智能充放电智能控制器,可以使得铅酸蓄电池的寿命达到1500次循环。

      传统的太阳能路灯充电系统中,通常经过防电流倒灌二极管将太阳能板与蓄电池直接相连,将导致太阳能板的工作点偏移最大功率点(MaximPowerPoint,简称MPP)而未有效利用太阳能板的可输出功率,同时容易使蓄电池因供能不足而长期处于欠充满状态,造成寿命缩减。中山大学半导体照明系统研究中心开发的太阳能LED路灯系统利用太阳追踪(SunTracking)和最大功率追踪(MPPTracking,即MPPT)技术,可使太阳电池的输出稳定在MPP附近,从而有效利用了太阳能板可输出的最大功率。

      智能调光系统灵活调整光输出 降低能耗

      传统高压钠路灯,只能实现小范围的调光控制,比如关闭一侧或间隔关闭路灯,不可避免地带来照明形态的改变,容易造成安全隐患。LED路灯则可实现0-100%连续调光,可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出,在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。中山大学半导体照明系统研究中心开发的LED路灯的智能调光系统能方便地控制LED的工作状态,并通过改变驱动电流来控制其亮度。比如在进入下半夜后,通过降低整灯电流或关闭灯具内部分LED发光组件来达到低功率运行,达到节能的效果。

      中山大学半导体照明系统研究中心还把Zigbee无线通讯控制技术应用在LED路灯系统上。Zigbee无线控制系统的出发点是希望能发展一种容易布建的低成本无线网络,具有协议栈简单紧凑、省电、可靠、时延短、网络容量大等特点。Zigbee收发模块集成在每一个LED路灯上,并通过接力的方式,把所有的信息汇集在终端上,从而实现在终端对每个LED路灯的运行情况进行有效的监控,发挥系统控制、故障排除和防盗的功能。

    散热

      优化散热和热管理控制系统

      LED在正向电压下,电子在电场的驱动下克服p-n结的电场,由n区跃迁到p区并与p区的空穴发生复合。由于跃迁到p区的自由电子具有高于p区价电子的能量,复合时电子回到低能量态,多余的能量以光子的形式释放,辐射出来的光还需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。

      综合考虑电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素,对于100lm/W的LED只有约30%的电能转化为光能,其余的能量则转化为热能,使LED芯片温度升高。对于LED芯片,如果热量不能有效散出,会导致芯片的温度升高,引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉效率下降。

      随着p-n结的温升,LED芯片的发射波长将发生红移,导致YAG荧光粉激发效率下降,总的发光强度降低,白光色度漂移。当温度超过一定值时,器件的失效率将呈指数规律攀升。器件温度每上升2℃,可靠性将下降10%.为了保证器件的寿命,一般要求p-n结的结温在90℃以下。当多个LED密集阵列或集成封装时,系统散热问题更严重。因此解决散热问题已成为LED路灯的先决条件。

      如何提高LED路灯的散热能力是LED封装和LED路灯设计的核心问题。LED路灯散热问题分为芯片p-n结到外延层;外延层到封装基板;封装基板到外界环境三个层次。这三个环节构成了热传导的通道。针对LED的散热难题,中山大学半导体照明系统研究中心分别以下各个层面对散热和热管理系统进行了优化设计。

      芯片p-n结到外延层的散热:在氮化镓材料的生长过程中,改进材料结构,优化生长参数,获得高质量的外延片,提高器件内量子效率,从根本上减少热量的产生,加快芯片p-n结到外延层的热传导。

      外延层到封装基板的散热:在芯片封装上,采用倒装芯片结构、共晶焊封装、金属线路板结构。在器件封装上,选择合适的基板材料,比如金属印刷电路板(MC-PCB)、陶瓷、复合金属基板等导热性能好的封装基板,以加快热量从外延层向封装基板散发。

    封装基板到外界环境的散热:目前的LED路灯一般是将大功率白光LED通过回流焊的方式阵列焊接在金属封装基板上,然后再把金属封装基板紧密安装在大体积的铝、铜材料的散热翅片上。大功率白光LED产生的热量通过金属封装基板传递到散热翅片上,利用自然对流或人为强制对流的方式达到散热的目的。

      中山大学半导体照明系统研究中心针对大功率集成封装光源模组的热量大而集中的特点,将大功率集成封装光源模组安装在均温板上,利用均温板的快速扩散热量的性能将LED产生的热量快速横向扩散;在散热翅片部分还采用热管(直型热管、回路热管和脉冲热管)来降低加强热传导和降低热阻;在LED路灯的腔体中产生人工强制对流的方式来加强对流散热。

    综上所述,引导LED路灯发展的技术支撑将体现在基于共晶焊技术的大功率集成封装光源模组方式;一次光学透镜;高显色指数和色温可调的白光智能控制系统;长寿命驱动电源;LED路灯结温智能控制系统; Zigbee无线通讯控制技术;基于热管技术的系统散热和热管理控制系统等几个方面。

      随着能源价格的高企、能源危机的加剧和人类环保意识的提高,LED照明凭借其节能和环保的特点受到了越来越大的关注。目前,LED在路灯照明和室内照明等普通照明领域的应用刚处于起步阶段,受2008年北京奥运会和2010年上海世博会的推动,大功率白光LED的发光效率即将突破150lm/W将是LED进入普通照明的绝佳时机,随着单位流明价格的降低,LED路灯将全面取代现有的传统路灯。届时,全球的LED路灯的需求将达上亿只,仅中国的需求就要达到上千万只,产值将达上千亿元。

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