译者言:LED正在向着高功率、高光通的方向发展,随着单管输入功率的增加,LED应用中的散热问题(热工控制)逐渐突出。合理的热工控制.可以有效提高LED的光效、光通和使用寿命。译者在Lumileds的网站上看到这篇有关Super Flux LEDs热工控制的文章,特翻译出来,希望对从事LED器件和应用产品设计、生产的国内同行提供参考。在翻译过程中,为了读者阅读方便,译者对原文结构进行了小的调整,并对文章标题进行了编号。
1.引言
温度可以影响LED的性能和可靠性,因此对于LED信号灯的设计来说热工控制是非常关键的问题。本文详细讨论了温度对LED的影响,LED信号灯的热工测量技术,介绍了几种典型的热工控制设计实例。
2.高功率LED热工控制的重要性
2.1 温度引起LED输出特性改变
LED工作时PN结的结温对LED的光通量、颜色和输入电压都有一定程度的影响,而结温主要受环境温度和输入电功率的自加热效应影响。
2.1.1 结温对光通量的影响LED的光通量与温度的函数关系可以表示如下 表1 高亮度LED材料的温度系数 φv(T2)=φv(Tl)ekΔTj 其中: φv (Tl)=结温Tl时的光通量 φv (T2)=结温T2时的光通量 k=温度系数 ΔTj=结温的改变量(T2-T1)。 几种典型的高亮度LED温度系数见表1. 表2 输入电压随温度的变化系数 LED Material Type ΔVf/ΔT(mV/℃) AS AlInGap -2.0 TS AlInGap -2.0 对于吸收衬底(AS) 和透明衬底(TS)红橙色AlInGaPLED,光通量随温度升高而衰减,情况如图1所示(光通量以25℃时的值为标准作了归一化)。 图1 恒流驱动时LED光通量随温度变化 从图1可以看出温度对光通量影响很大,温度75℃时LED输出光通量只有室温时的一半左右,因此在LED组件设计时必须将温度对光通量的影响考虑进去。 2.1.2 主波长(颜色)随结温的变化 结温也会影响到LED的主波长(颜色)。主波长随温度的变化关系可以表示如下: λd(T2)=λd(T1)+ΔTj·0.1(nm/℃ ) 其中 λd(T1)=结温T1时主波长 λd(T2)=结温T2时主波长 有一个很容易记住的关系是结温每升高10℃,主波长增加1nm。因为红色LED汽车信号灯颜色的允许范围非常宽(大约为90nm),在设计时颜色的变化不是很重要,但是,在设计黄色汽车信号灯时,必须考虑到颜色的漂移(根据地区规定的不同,黄色LED信号灯允许的波长范围在5-10nm) 2.1.3 温度导致LED失效 典型的LED由光学透明的环氧树脂封装。温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时,环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料。通常情况,在玻璃转换温度Tg,环氧树脂的热膨胀系数(CTE)会有很大变化,Tg位于热膨胀系数剧烈变化区域的正中间,见图2。 图2 环氧树脂的热胀系数随温度变化 为了避免LED突然失效,结温T应该始终保持在封装树脂的Tg以下。HP定义的最大结温T(max)就低于封装树脂的玻璃T,对于Super Flu×LEDs,T(max)=125℃。如果温度超过了T(max),封装树脂的CTE将会发生很大变化,一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中,膨胀和收缩加剧,这将导致金线(或铝线)键合点位移增大,金线(或铝线)过早疲劳和损坏。造成LED开路和突然失效。 3 LED组件的热工模型 3.1 LED汽车信号灯的热阻 正如电阻与电传导紧密相关一样,热阻与热量传导紧密相关。阻力(热阻、电阻等)的普遍定义为位能差和能量传输速率的比值,热阻可以用下式表示: R=ΔT/ax 其中: Rθ= 两点间的热阻 ΔT=两点间的温度差 qx= 两点间热量传输速率 LED信号灯的热阻(结—环境热阻,Rθpa)由两个主要部分组成:LED封装带来的热阻(结—管脚热阻,Rθjp)和灯壳热阻(管脚—环境热阻,Rθpa)。它们之间是串联的关系,如图3所示 图3 LED灯具热阴结构示意图 Rθjp+Rθpa=Rθja 假设所有电功率都转变成了热(约有5-10%的电能转换成了光),LED PN结到管脚的热阻(Rθjp)可以用下列方程表示: Rθjp=(Pj-Tp)/P 其中:P=LED输入总的电功率(If Vf ) 对于LED组件,组件中单个LED的热阻(Rθja)可以用下式表示 Rθja=(Pj-Tp)/P =[(ΔTj+Ta)-Ta]/P =ΔTj/P 其中Tj= ΔTj+Ta 。 从公式可以看出,为了确定组件的热阻Rθja,首先要确定结温升和输入器件的电功率。测试时电功率可以用输入电压与输入电流相乘得到,结温升可以通过测试过程的输入电压改变得到。 表3 几类LED组件的典型Rθja值 LED Lamp Classification Typical(℃/W) Class 1 325 Class 2 400 Class 3 500 Class 4 650 |