大功率LED照明設(shè)備的使用日益增多，大功率LED發(fā)光亮度其實(shí)與其電流呈正比關(guān)系，同時(shí)大功率LED正向電流隨溫度變化。介紹LED結(jié)溫的原因以及LED半導(dǎo)體照明光源的散熱方式。

1、前言

在過去數(shù)十年的發(fā)展中LED發(fā)光效率不斷提高，而成本卻不斷降低，色彩變得更加豐富。這使得大功率LED作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的清潔光源在不久的將來大有取代其他照明光源趨勢。然而，大功率LED燈的散熱問題仍然是其在照明領(lǐng)域應(yīng)用的一大發(fā)展瓶頸，是制約其成新一代照明光源的一個(gè)重要原因。

有研究數(shù)據(jù)表明，假設(shè)LED芯片結(jié)溫為25℃時(shí)的發(fā)光為100%，那么結(jié)溫上升至60℃時(shí)，其發(fā)光量就只有90%；當(dāng)結(jié)溫達(dá)到100℃時(shí)就會下降到80%；140℃就只有70%。可見改善散熱控制結(jié)溫對于提高其發(fā)光效率十分重要。大功率LED燈的散熱問題若解決不好，必將使LED燈工作溫度上升，結(jié)溫升高，從而導(dǎo)致LED色度點(diǎn)偏移，顯色指數(shù)下降，色溫增加，發(fā)光效率下降，使用壽命縮短。

大功率LED的發(fā)光亮度實(shí)際上與它的電流成正比，如果控制住了大功率LED的輸出光通量就等于控制住了它的發(fā)光亮度。而大功率LED的正向電流也會隨著溫度的改變而改變，當(dāng)環(huán)境的溫度超過一定值（我們稱為安全溫度）通過LED的正向電流會驟然減小，而在此時(shí)如果電流繼續(xù)加大，則會造成LED壽命減少。

所以此時(shí)，必須采取相應(yīng)的措施，在球泡燈的輸入電流會隨著周圍的溫度等因數(shù)發(fā)生變化的情況下，能及時(shí)的對大功率LED的正向電流進(jìn)行調(diào)控。本實(shí)用新型通過溫度補(bǔ)償，依據(jù)環(huán)境溫度對輸出電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并對LED溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而使大功率LED處于高溫狀態(tài)時(shí)電流自動降低，通過該方法使大功率LED燈具更加安全。

2、大功率LED照明產(chǎn)品現(xiàn)狀

“芯片-鋁基板-散熱器三層結(jié)構(gòu)模式”均被目前市場上大部分大功率LED照明燈具所采用，即先在鋁基板封裝芯片以形成LED光源模塊，然后再在散熱器上安裝光源模塊，這樣就可以制造成大功率LED照明燈具。目前仍沿用LED早期用于顯示燈和指示燈的方式作為大功率LED的熱管理系統(tǒng)，這種熱管理模式僅限于小功率LED使用。采用三層結(jié)構(gòu)模式的方式制備出來的大功率LED照明，在系統(tǒng)構(gòu)造方面仍存在許多不合理的地方，例如結(jié)構(gòu)之間有很高的結(jié)溫、比較低的散熱效率、更多的接觸熱阻，以致使芯片所釋放出來的熱量不能有效地散出與導(dǎo)出，致使LED照明燈具光衰大、光效低、壽命短，不能滿足照明需求。

由于受結(jié)構(gòu)、成本和功耗等諸多因素的限制，大功率LED照明難以采用主動散熱機(jī)制，而只能采用被動式散熱機(jī)制，但被動式散熱具有較大的局限性；而且目前LED的能量轉(zhuǎn)換效率仍不高，約有70％的輸入電能轉(zhuǎn)換為熱，即使光效再提高1倍也還有40％的能量轉(zhuǎn)化為熱，也就是說，很難提高到不用考慮散熱的程度。

3、LED照明光源的特性

與常規(guī)日光燈，白熾燈及鹵素?zé)舨煌?LED半導(dǎo)體照明光源以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，用PN結(jié)構(gòu)組成，電子-空穴對經(jīng)復(fù)合生成可見光，PN結(jié)正向?qū)ǎ聪蚪刂?，其中N區(qū)對應(yīng)負(fù)極，P區(qū)對應(yīng)正極。LED半導(dǎo)體光源具有發(fā)光效率高，響應(yīng)時(shí)間短，體積小，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有傳統(tǒng)照明光源所沒有的特性：

1.具有類似于一般PN結(jié)半導(dǎo)體器件的特性：

（1）正向電流和正向電壓均為負(fù)溫度系數(shù)，隨溫度上升而減少；

（2）正向電壓必須超過某一閾值才會產(chǎn)生電流；

（3）反向時(shí)，沒有電流不會工作。

2.有很多方面制約著它的工作溫度，具體如下：

（1）LED的亮度與正向電流呈現(xiàn)一定的曲線關(guān)系，當(dāng)結(jié)溫超過某一值后，亮度隨正向電流的減小而減弱；

（2）必須把結(jié)溫限制在額定值95℃～125℃以下；

（3）如表面含有塑料透鏡，將會受到透鏡材料熔點(diǎn)溫度的限制。

4、關(guān)于LED結(jié)溫的介紹

1.LED結(jié)溫產(chǎn)生的原因

LED發(fā)熱很大一部分原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿]有全部以光能的形式轉(zhuǎn)化，其中有一部分被轉(zhuǎn)成了熱能。目前市面上的LED的光效約為100 lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率還很低，大約只有20~30%左右。也就是說大約有70%的電能以熱能的形式被浪費(fèi)掉。

總的來講，有兩個(gè)因素導(dǎo)致了LED結(jié)溫的產(chǎn)生。具體如下：

（1）內(nèi)部量子效率。

空穴和電子復(fù)合時(shí)，并不能全部都產(chǎn)生光子，這種通常叫做“電流泄漏”，是使PN區(qū)載流子復(fù)合率降低的原因。泄漏的電壓與電流的乘積就是這部分的耗散功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分并不是主要的成分，因?yàn)榫湍壳暗募夹g(shù)已經(jīng)能使LED的內(nèi)部光子效率接近90%。

（2）大約只有30%的外部量子效率。

最主要的一個(gè)原因是由于載流子復(fù)合所產(chǎn)生的光子無法被全部發(fā)射到芯片外部而是轉(zhuǎn)化為熱量。雖然白熾燈只有15lm/W左右的光效，但是藉由最終它把電能以光能的形式輻射出去，盡管大部分的輻射能是紅外線而導(dǎo)致光效很低，但這卻免除了散熱的問題。LED散熱問題已經(jīng)漸漸成為研究熱點(diǎn)，其原因在于LED壽命或者光衰與其結(jié)溫有直接關(guān)系，如果散熱問題處理不當(dāng)將直接造成結(jié)溫易過高和壽命降低。

2.使LED結(jié)溫降低的方法

①、控制額定輸入功率；

②、設(shè)計(jì)良好的二次散熱結(jié)構(gòu)；

③、把二次散熱結(jié)構(gòu)與LED安裝介面之間的熱阻減少到最低；

④、降低周圍環(huán)境溫度；

⑤、減少LED自身的熱阻。

5、LED半導(dǎo)體照明光源散熱方式

一般說來，按照帶走熱量的方式散熱器可以被分為被動散熱和主動散熱。所謂的被動散熱，是指熱源LED光源產(chǎn)生的熱量通過散熱片自然的被散發(fā)到空氣中，其散熱效果和散熱片大小成正比，但是這種散熱效果比較不理想，最常用在條件要求比較低的設(shè)備中，或者用于低功率、發(fā)熱量小的器件散熱，絕大多數(shù)采取主動散熱，主動散熱就是通過一些設(shè)備主動地將熱量從散熱片上帶走，這些設(shè)備有風(fēng)扇等等。較高的散熱效率是主動散熱的主要特點(diǎn)并且它本身有比較小的體積。

還有一種方式就是采行“垂直”電極來制造LED元件，因?yàn)長ED元件的上端和下端均裝有金屬電極，這對散熱問題能有較大幫助。以GaN基板為例，因GaN基板是導(dǎo)電材質(zhì)而可將電極直接制作于基板下連接，可獲得迅速散逸磊晶溫度之好處，但是此種做法由于材料成本高昂，亦將比藍(lán)寶石基板之傳統(tǒng)做法成本貴很多，將提高元件之制作成本。