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如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的
文章来源:未知        发布者:admin

绿色环保时代的来临对能源的高效率利用提出了更高的要求,照明技术作为最早推动电网建设的民用技术,同样也正在进入一个由传统的热光源照明转向以LED等高效节能技术为主导的冷光源照明时代。大功率LED工艺及其驱动技术无以将是这场变革中的核心技术。对于大功率LED的驱动及LED本身的工艺,业界已经有了许多探讨,相关产品及方案也正如雨后春笋般出现在市场上。然而困扰着所有LED从业人员的依然有两大关键问题尚未能完美解决,其一为LED生产及其驱动电路的制作成本,相对于传统照明系统而言略显高昂,另一个问题就是LED本身的发热及散热问题始终是目前困扰开发人员的最大难题。相对而言,成本问题会随着技术的进步和成本控制的优化逐步可以得到解决,而LED的散热问题则成为了目前阻碍LED技术推广的主要瓶颈。本文所介绍半导体制冷技术并不是一种近期新兴的技术,但是将其与目前的大功率LED照明相结合,特别是应用在功率输出极大的特种领域,将能非常有效地降低LED工作温度,有效地延长LED使用寿命及改善发光亮度和显色性等问题。

所谓半导体制冷是指通过半导体器件来实现温度冷却,从而有效控制半导体周围环境温度的技术。传统制冷技术是通过卡诺热机的原理,利用制冷剂的多态循环来实现温度的控制,因卡诺热机结构复杂且需要压缩机等部件,使得传统制冷设备的体积往往非常庞大,一般都是用于大型电器设备上。而半导体制冷相比于传统制冷设备有着体积小,无运动部件,制冷温度精确可控,设备简单等优点。特别是结构简单且体积小这项优点,极适合于将其应用于小型电子设备中,实现对设备关键部件的降温,使关键部件可以工作于最佳的温度状况中。

 

半导体制冷又称热电制冷,是一项早在20世纪50年代就开始发展起来的技术,其基本原理基于五大热点效应:塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅利叶效应。 目前所讨论的半导体技术一半都是基于珀尔帖效应的。

珀尔帖效应是1834年由法国科学家珀尔帖发现的。他曾经通过实验发现由N、P型材料组成得一对电偶,当通入直流电流后,因电流通入的方向不同,会在电偶结点处产生吸热和放热现象,其原理可解释为:电荷载体在导体中运动形成电流,由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级,当它们从高能级向着低能级运动时就会释放出多余的能量,表现出放热;反之当他们从低能级向着高能级运动时,就会从外界吸收能量,表现出吸热制冷的效果。在半导体中,当电流由N结流向P结时,就会产生吸热现象,而当电流从P结流向N结时就会产生放热现象,这种现象就称之为珀尔帖效应。根据此原理所做成的珀尔帖效应热泵,就是利用P型和N型半导体粒子按照一定的规则排列,将它们用金属连接片焊接成一个电偶对,接上直流电源后将电流从N极流向P极的那端作为冷端,用于制冷,而将P极流向N极的一端作为热端,用于放热。本质上,该器件就是一个将热量从一端移动到另一端的能量泵。其原理如图1所示

如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

图一

       目前国内较为常用的P型和N型制冷半导体材料为以碲化铋为基体的三元固溶体合金,其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3,N型是Bi2Te3—Bi2Se3,采用垂直区熔法提取晶体材料。图二a和图二b分别为一个常用半导体制冷模块的实物照片。
 

如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

图二a 正视图

图二b 侧视图

一般来说半导体制冷器件的体积可以做得很小,相比于传统压缩机的制冷技术,可以更方便地用于对电子电气设备的降温,且制冷器可以做成各种形状的贴片结构,贴附在芯片等关键发热元件的表面,以实现散热降温的效果。其实这一技术在一些特定领域已经有了一些广泛的应用,比如曾经有PC机的超频爱好者,利用这种结构的半导体制冷器,将CPU满负载时的表面温度降到了-3摄氏度,从而使得CPU的工作主频顺利升到了正常水平的50%以上。

如果用半导体制冷器件对特大功率的LED进行降温,也同样可以达到优化LED工作状态的效果,从而延长LED的寿命,改善LED发光的色温及一致性等问题。对于大功率LED照明来说,70%以上的故障都是由于LED温度过高所导至的。LED结温的升高会导致器件各方面的变化与衰减,这种变化主要体现在三个方面:一,减少LED的外量子效率;二,缩短LED的寿命;三,造成LED发生光的主波长偏移,从而导致光源的颜色发生偏移。其中器件的外量子效应是与LED光效直接相关的量,外量子效率的下降会致使LED光效的降低。随着LED结温的上升,白光LED发光的主波长会向长波方向移动。图三ab所示分别为LED结温与光效率的关系及结温与LED寿命的关系。


 

如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

图三a
 

如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

图三b

       当LED的结温达到125摄氏度以上时,LED的发光效率就会显著下降,故障率较之100摄氏度时会上升两倍以上。一般情况下,当LED在额定功率一半以上工作时,温度每升高20度,故障率就会提高一倍。 而通常照明LED为了提高散热的效果,会将多颗LED以一定间隔排列,这又会导至LED的聚光效果不够理想,影响了照明的效果,降低了总体发光效率。通过给大功率LED的铝基板增加半导体制冷功能,将LED的发热由制冷模块快速地传递到另一端,同时对另一端进行散热,就能有效地降低LED工作时的环境温度。该基板结构可以做成如下图四的形式:
 

如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

图四

       该基板还能根据具体应用的需要做成各种形状,如筒状或者抛物面型等。这样可以更有效地将多颗LED的位置进行光学优化分布。从前文的图三中可以看出,如果将LED的环境工作温度始终保持在100度以下,那么其光输出效率和寿命将比125度以上工作环境下有大大地改善。这种改进对于有超大功率应用如汽车前灯照明,路灯照明等领域有着特别显著的实际意义。  


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