功率型LED结温测量方法的实验研究

何潜翔 黄建宇 陈 乾

(东南大学 1物理国家级实验教学示范中心； 2吴健雄学院；3物理学院，江苏 南京 211189)

随着科学技术的不断发展，发光二极管(light emitting diode，LED)逐渐由原来的小功率指示灯光源发展到大功率照明光源[1]。近年来，功率型白光LED更是以其节能环保、响应速度快、体积小等优势，在绝大多数灯具中取代了传统的照明光源，进入了人们的日常生活[2]。然而，随着功率的提高，LED的核心结构中PN结的温度会相应升高，继而影响LED的电学和光学性能。一般地，结温上升会导致PN结内电子空穴有效复合率的下降和带隙的减小，对外表现为LED发光效率降低和波长漂移等问题[3]。因此，研究功率型LED的结温对光电特性的影响是该领域的研究热点之一。显然，如何准确地测量被密封包裹的芯片结温是该研究需要解决的首要问题[4-8]。在这一背景下，东南大学物理实验中心设计了LED热学特性研究实验仪，并将其用于大学物理实验课程的教学[9]。由于实验内容既关联了照明工程领域的实际问题，又涉及了物理学中的半导体能带理论，而且还和同学们的日常生活紧密相关，因此该实验项目的选课率高，取得了很好的教学效果。

本文介绍了在实际教学过程中，笔者基于上述实验仪器进一步拓展的课题实验内容。如图1所示，通过调整电路和添加实验装置，我们将原来单一的基于脉冲法测量结温的验证性实验改造成了一个可以通过脉冲法、小电流法和光谱法来测量同一LED灯珠结温的综合性课题实验项目。学生不仅可以通过该实验了解多种不同的结温测量方法，比较电学参量法和非接触式测量法的优缺点，而且还能学习改造实验电路、采集和分析光谱等基本实验技能。

图1 实验装置实物图

1 脉冲电流法

在恒定直流驱动的正常工作状态下，LED芯片的发热会造成结温TJ高于可测量的表面温度，无法直接获得[5]。借助PN正向压降和结温存在的单调对应关系，通过测量工作状态下LED两端的电压可间接获得结温，主要步骤如图2(a)所示。具体测量时，首先需要得到结温和电压的对应关系。脉冲电流法的核心思想是利用在较小占空比的脉冲直流驱动下，LED芯片温度无法升高且近似等于温控室温度这一条件(见图2(b))，配合测试台温控装置来得到额定电流下LED两端的压降与结温的关系曲线。本实验所使用的LED灯珠的额定工作电流为直流300mA，图2(c)为在该脉冲直流下测量得到的LED两端压降与结温(近似等于温控室温度)的关系曲线。

图2(a) 脉冲电流法测LED结温的流程图; (b) 结温控制原理示意图； (c) 脉冲电流模式下，待测LED灯珠正向压降与结温的关系； (d) 基于脉冲电流法和小电流法测得的LED灯珠在点亮和熄灭后结温随时间的变化曲线

在获得上述曲线的基础上，笔者测量了待测LED灯珠用300mA恒定直流点亮(即正常工作状态)后结温随时间的变化关系，如图2(d)方形数据点所示。从图中可以看到LED正常点亮时，结温会在短时间迅速上升，并在五分钟左右趋于稳定。当断开稳定工作状态下LED的电源时，结温则会迅速下降并恢复到环境温度，如图2(d)圆形数据点所示。

2 小电流法

小电流法和脉冲电流法一样，都是借助PN结正向压降和结温存在的单调对应关系，通过测量工作状态下LED两端的电压来间接获得结温的。因此，这两种方法都被称为正向电压法。但和脉冲法不同的是，小电流法利用了LED在微小电流驱动时芯片发热可以忽略这一事实。如图3(a)的流程图所示，小电流法可大致分为两个步骤：首先，在小电流驱动下，配合温控装置得到不同温度下LED结温和压降的关系；然后，在额定电流下使LED正常工作并达到稳定，之后迅速将驱动电流转换成之前的小电流并同步记录正向压降，进而通过上一步的结温和电压关系计算结温。

图3(a) 小电流法测结温的流程图; (b) 电路示意图； (c) 不同小电流下，待测LED灯珠正向压降与结温的关系; (d) 不同小电流下的K系数

由于实验时需要在300mA和3mA左右的恒定直流源间快速转换，所以在进行该实验时需要对原有实验仪器作改动：在原有LED电学测试仪之外增加如图3(b)所示的小电流(Is)恒流电路，并用一单刀双掷开关将两电路相连。基于上述实验装置测得不同小电流下LED正向压降与结温(近似等于温控室温度)的关系如图3(c)所示。对比脉冲法中用额定电流300mA获得的U-T曲线，可以看到在小电流下的曲线近似为线性关系，这是由于二极管正向电压与温度关系式中的非线性项和工作电流正相关造成的。在电流很小的情况下，非线性项的贡献非常小，因此两者存在近似线性关系，可引入系数K表示其斜率，即：

(1)

如图3(d)所示，不同小电流下的K系数不同，随着工作电流的增加会逐渐变大。上述关于二极管的物理原理可引导感兴趣的学生阅读黄昆先生原著的《固体物理学》中PN结部分内容[10]。

在获得K系数后，用300mA额定直流点亮LED灯珠，待其达到稳定工作状态后迅速切换到小电流驱动模式并测得正向压降U，结合小电流驱动下室温时的结温TJ0和压降U0，根据式(2)可计算得到LED结温。

TJ=TJ0+K(U-U0)

(2)

图2(d)中三角形数据点为利用小电流法测量的同一个LED灯珠在降温时的结温变化，和脉冲法测量的结果符合得很好，说明了两种方法测量结温的准确性。需要指出的是，由于小电流法测量时需要转换电流驱动源，因此额定电流驱动下LED在升温过程中的结温无法动态测量。

3 光谱法

除了上述的电学参数法，借助如图1中所示的小型光纤光谱仪，该实验还能让学生进一步探究光谱法测量LED结温的基本思路。通过改变温控室温度，逐次测量LED正常工作时(300mA恒定直流驱动)的光谱如图4所示。从图中可以看到：(1)LED的光谱明显的分成两个峰，左侧蓝峰是由LED核心结构PN结发出的光谱，右侧黄峰则是荧光粉受激发出的光谱；(2)随着结温的升高，光谱强度相应下降；(3)光谱中蓝峰对应的波长随着结温的升高发生红移。当定量的给出蓝峰的峰值波长λ和结温TJ的关系时，可以看到两者存在近似线性的单调关系(如图4)。因此，若提供某一种类LED的TJ～λ关系曲线，便可通过测量光谱来得到这类LED的实时结温。由于正向电压法需要在LED两端引脚接入引线来测量电压，这对于封装好的灯具来说很难操作，因此光谱法等非接触式的测温方法更为简单方便。但是，影响光谱的因素比较复杂，再加上光谱测量对光谱仪精度的依赖性，所以光谱法测量结温的误差一般高于电压法。

图4 待测LED灯珠在不同结温时的光谱和蓝峰波长的分布图

4 结语

本文介绍了东南大学物理实验中心围绕LED结温测量这一工程热点设计的课题型物理实验项目。通过改造实验电路和添加实验装置，项目在原有脉冲法测量仪器的基础上，拓展了小电流法和光谱法测量结温的课题实验内容，并获得了准确的实验结果。学生通过该实验可以锻炼设计改造电路和采集分析光谱的基本实验技能，了解照明工程中常用的LED结温测量方法，并比较电学参量法和非接触测量法的优缺点。