提高大功率白光LED发光效率技术研究*

齐向阳，白广新

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

提高大功率白光LED发光效率技术研究*

齐向阳，白广新

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

从封装、驱动和散热3方面研究提高大功率LED发光效率的技术，采用远程荧光技术、脉冲驱动技术及单芯片集成半导体制冷技术，可有效提高大功率白光LED的发光效率．在研究国内外提高大功率LED发光效率技术的基础上，针对1W白光LED进行了理论分析，表明单独采用远程荧光技术，光效增加月15%；单独采用大功率白光LED脉冲驱动技术，光效提高约20%；单独采用单芯片集成半导体制冷技术，光效增加约30%；综合采用这3种技术，光效可提高约79%．

大功率白光LED，封装，远程荧光，驱动，散热

1 国内外研究现状及存在的问题

LED光源作为第四代光源，具有高光效、体积小、寿命长、等优点，因此大功率LED光源有取代荧光灯等气体放电灯的趋势．但是，目前大功率LED尚未能在通用照明领域得到普及，其中一个根本原因是，大功率LED的电光转换效率只有20%左右，剩余的能量转化为热能，使得LED芯片发热，导致 LED可靠性及光电转换效率降低，色温变差等．

1.1 LED封装方面

目前，绝大多数大功率白光LED的发光机理是采用蓝色大功率 LED，激发荧光粉发出黄色光，蓝色光与黄色光混合为白光．荧光粉采用点胶工艺直接涂敷在 LED晶片表面，荧光粉紧贴LED发光晶片，这样使得LED晶片发射的光和晶片激发荧光粉发出的光经散射返回到芯片而损失掉．同时，较高的晶片结温使荧光粉的温度较高，导致荧光粉的发光效率降低．

为解决荧光粉体紧贴 LED发光晶片导致发光效率降低的问题，文献[1]提出用环氧树脂隔离LED晶片及荧光粉层的荧光粉远离LED芯片的方法．由于荧光粉远离芯片，较高的芯片结温对荧光粉的影响小，这样，荧光粉层的温度较低，荧光粉的发光效率提高了20.3%．文献[1]的最大实验电流是60mA，而1W大功率白光LED的额定电流是350mA．

有研究提出白光LED远程荧光技术[2]，即将荧光粉涂敷在远离LED晶片的基板上，而不是直接涂敷在LED晶片上．目前只有国外某公司拥有成熟技术，该公司称其发高效率提高了30%．

1.2 LED驱动电路方面

文献[3]对大功率 LED进行了脉冲驱动的一些基础研究，表明其发光指标得到改善，温升降低，该文没有说明发光效率提高了多少．

1.3 LED芯片散热方面

散热对LED芯片具有重要意义，研究[3]表明，当LED的结温超过125℃，LED的发光效率就会显著下降，故障率较之100℃会上升2倍以上．热电制冷可以用于LED散热．国内主要是用大尺寸制冷片对LED组合来进行制冷．文献[4]对9个1W的LED芯片模组热电制冷进行了分析和实验，结果表明制冷效果明显，温度降低36%．也有用单个制冷片对单个大功率LED进行散热的[5]，该文的实验中，铜基板温度达40℃时，使制冷片工作，铜基板温度降低至30℃．文献[6]提出了一种1WLED的集成微型热电制冷方法，在较低的热电制冷功率（0.55W）下，LED的光效是没有热电制冷的1.3倍．但这种集成制冷方式，还不够集成．

2 提高大功率白光LED发光效率的主要方法

2.1 大功率白光LED远程荧光封装技术

本研究白光LED采用1W功率，荧光粉层采用平面圆形基板，整体远程荧光系统采用杯灯形式，如图1所示．远程荧光系统包括3个主要组成部分：蓝色LED、混光室及远程荧光粉光源元件（如远程荧光板）．研究结果见表1．

1）研究减少荧光粉涂敷量的工艺．

2）进行目前市场上已有1W蓝光LED晶片及荧光粉的配合测试，从中找出能够用于远程荧光技术的配合．荧光粉的发光光谱不同，应选择发光光谱一致的蓝光LED，以达到最佳荧光粉激发效果．

测试发光效率—LED晶片跟荧光粉间距离的关系曲线，以确定荧光层跟LED晶片的最佳距离．分析表明，测试发光效率—荧光层跟LED晶片间距离呈倒V型关系，原因是：当荧光粉贴近LED晶片时，LED晶片发射的光和晶片激发荧光粉发出的光经散射返回到芯片而损失掉．同时，较高的晶片结温使得荧光粉的温度较高，也导致荧光粉的发光效率降低．且随着距离的增大，发光效率增大．当距离增大到超过某一值时，荧光粉对蓝光的吸收成为影响光通量的主要因素，此时随着距离的增大，发光效率反而减小．

3）找出目前蓝光LED晶片及荧光粉的配合问题，给大功率LED及荧光粉的改进提供方向．

表1 研究结果对比

4）研究远程荧光系统里的混光室．

由于混光室本质属于二次成像系统，而国内对二次成像的研究比较多，产品也多样．可以广泛测试已有的可以用于混光室的结构和材料，从中找出改进的方向．对改造过的不同的混光室结构和材料进行测试．

2.2 大功率白光LED脉冲驱动技术

在远程荧光技术的基础上，研究1W白光LED芯片的脉冲驱动技术，采用峰值为800 mA的脉冲电流（1/10工作周期，0.1ms脉冲宽度）来驱动，研究结果见表1．

1W白光LED采用直流驱动时，正向电流IF不能超过350mA，采用脉冲峰值电流（1/10工作周期，0.1ms脉冲宽度）IFP不能超过1000mA，留20%的余量，取脉冲峰值电流为800mA．

随着 LED正向电流的增加，其光通量增加明显，用大的脉冲电流驱动，从光效上来说，跟增加正向直流电流相当．如图2所示，电流增加2倍，光通量增加1倍左右．

2.3 大功率白光LED半导体散热技术

在远程荧光技术以及脉冲驱动的基础上，研究改善LED晶片散热的技术．

采用微型半导体制冷片，对单个的 1W 白光LED进行集成半导体制冷．研究结果见表1．LED芯片（未进行封装）采用1W方形芯片，工作电压为 3.0~3.4V，尺寸为 45 mil×45 mil（1.143mm× 1.143mm）．其波长为450~460 nm，发蓝色高亮光．

图1 平面圆形远程荧光技术

图2 陶瓷1W 白光LED 正向电流跟光通量的关系曲线

半导体制冷片采用一种薄膜TEC（半导体制冷器），制冷片面积、厚度及驱动电流分别为2.0 mm* 1.0 mm，0.46mm，0.2A．制冷量可以达到600 mW，电压在3V左右．

选用的半导体制冷片尺寸大于LED芯片，这样可有效对LED芯片进行散热；两者的工作电压都是 3V，使得驱动电路简单．从散热量来说，600mW的制冷量可以对1W的LED进行有效散热．半导体制冷片用恒流驱动，通电后，一个面是发热面，另一个面是制冷面，把制冷面用导热胶粘贴在LED晶片的衬底，如图4所示．

图4中的热敏电阻用于对LED晶片的温度进行控制，只在LED晶片的温度过高时，启动制冷片来降温．

为测试制冷效果，需要进行温度测试，方法有2种．

图3 LED脉冲驱动电路框图

图4 单个LED晶片半导体制冷结构图

一种是采用热电偶测试，这种测试无法直接测量LED晶片结温，只能通过测试表面器件如铜基板或者半导体制冷芯片冷面的温度来估算 LED结温．另一种是用红外照相机来记录LED封装的热成像，这种方法能直接测量包括LED芯片结温在内的各个封装部分的温度．

3 结 论

本文提出的3种方法，能有效提高大功率白光LED的发光效率．分析结果显示：

采用远程荧光技术，光效增加15%左右．

采用大功率白光LED脉冲驱动技术，光效提高20%左右．采用远程荧光技术+脉冲驱动技术，光效提高38%左右．

采用单芯片集成半导体制冷技术，以1W LED +0.6W微型半导体制冷片集成为例，光效增加30%左右．

采用远程荧光技术+脉冲驱动技术+单芯片制冷技术，光效提高约79%．

[1] 刘丽，吴庆，黄先，等．白光LED荧光粉涂敷工艺及光学性质[J]．发光学报，2007，26（6）：890-894．

[2] 施丰华，王海波．白光LED用远程荧光技术[J]．中国照明电器，2012（04）：6-8．

[3] 王峰，梁楚华，郭延生，等．大功率LED脉冲驱动电源技术的研究[J]．电子技术应用，2008（06）：67-70．

[4] 田大垒，关荣锋，王杏，等．基于热电制冷的大功率LED散热性能分析[J]．电子与封装，2009，9（1）：35-37．

[5] 唐政维，黄琼．一种采用半导体制冷的集成大功率LED[J]．半导体光电，2007，28（4）：471-473．

[6] Liu C K, Dai M J, Yu C K, et al. High efficiency silicon-based high power LED package integrated with micro- thermoelectric device[C]//Proc of IMPACT, 2007：29-33．

Research on Improving the Luminous Efficiency of High Power White LED

QI Xiangyang, BAI Guangxin

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Luminous efficiency of high power white LED is studied from three perspectives including package, driving and heat radiation. By adopting technologies such as remote phosphor for white LED, pulse driving and single chip integrated semiconductor refrigeration, the luminous efficiency of high power white LED can be effectively improved. Theoretical analysis is made on 1W white LED, and it is pointed out that luminous efficiency can be increased by 15% or so with remote phosphor, 20% or so with pulse driving, 30% or so with single chip integrated semiconductor refrigeration, 79% or so with them all.

high power white LED; package; remote phosphor; driving; heat radiation

TN383.1

A

1672-0318（2014）05-0021-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 005

2014-04-17

*项目来源：深圳市2012年战略性新兴产业发展专项资金项目（JCYJ20120823172559906）

齐向阳（1969-），男，河南人，硕士，副教授，主要研究方向为电力电子技术．