大功率LED光电特性及温度影响研究

1、大功率发光二极管光电特性及温度影响研究王劲1梁秉文(南京汉德森科技股份有限公司,江苏南京211100摘要:本文分析了大功率发光二极管在不同温度下光通量、正向电压、色坐标、波长等参数随温度变化的关系,并对其中部分关系进行了曲线拟合,从而量化了大功率白光发光二极管的光电参数与温度的关系。研究结果表明温度是影响大功率发光二极管光电性能的主要因素。关键词:大功率发光二极管温度光通量正向电压色坐标波长中图分类号: TN 312.8文献标识码: AResearch on influence of temperature on the property of high-power LEDWANG jin L

2、IANG bingwen(NANJING HANDSON CO.,LTD ,nanjing,jiangsu 211100 Abstract The property of luminous flux, forward voltage, color coordinate and wavelengh of high power white LED have some relations with temperature, this paper reached on these property, and we also fitted some data, measured the relation

3、ship between temperature and photoelectricity property of high power white LED. the results showed that temperature is the main factor to influence the photoelectricity property of high power white LED.Keywords: high power LED;temperature;luminous flux;forward voltage;color coordinate; wavelengh1:综述

4、目前GaN基瓦级白光发光二极管(LED以其节能、环保、长寿命的优点,正受到越来越多的重视。随着大功率LED散热问题的不断改进,其应用范围越来越广,特别是在城市亮化和特种照明领域,如铁路、矿产、石油等,而这些领域的环境对LED的性能提出了很高的要求。大功率白光LED光电参数随电流的变化文献中已有相当的论述1,2,本文对大功率白光LED光电参数随环境温度和时间的变化规律进行了研究,并对其中的一些现象作了初步的探讨。2:试验以封装好的同一批次的白光LED(YAG+GaN/InGaN蓝光芯片作为实验对象,在恒温测试台上进行性能测试,测试台如下图1所示。LED光电参数通过积分球1读出数据,温控台3采用半

5、导体温度控制器,其温度调节范围为-40120,散热器4是为了保证半导体温度控制器的低温制冷性能及保证温度稳定。测试期间电流恒定为350mA,温度设定为从-10到70,每隔5测试一组数据进行分析。 1作者简介:王劲(1976,男,江苏南京人,硕士,主要从事大功率LED研发、测试方面的研究工作。联系方式: wkhong,M.P;137*图1 测试台示意图1-积分球 2-白光LED 3-温控台 4-散热器由于所有的数据都表现出相似的特性,在此我们以其中的一组数据来分析大功率LED 在温度影响下的光电特性。3:数据分析与讨论1:光通量及正向电压与温度的关系在任意温度下,当LED 在额定电流下被点亮,在

6、此温度下达到热平衡后,光通量及正向电压随着温度不同而变化。图2是光通量及正向电压在不同温度下的关系图,随着温度的升高,LED 光通量与电压都逐渐下降。通过对电压随温度的变化数据进行拟合,得到其温度、电压关系为:Y =3.84539-0.00332 X其斜率0.00332为温度系数,即温度每升高10,电压减小0.033V 。 对光通量随温度的变化数据进行拟合,得到其温度、光通量关系为: Y =35.41842-0.05514 X即温度每升高10,光通量减小0.55lm 。 温度/电压/V光 通量/lM图2 光通量及电压与温度的关系2:波长及光功率与温度的关系图3 是白光LED 的相对光功率与温度

7、的关系。为便于观察,只选取四条温度相关曲线显示。从图中可见,随着温度升高,白光LED 中蓝光及黄光的相对光功率都下降,且蓝光的峰值波长向长波长方向移动。图4是蓝光峰值半波宽与温度的变化关系,随着逐渐升高,蓝光中光谱半值波宽增大。根据公式21240g E E ,其中为光谱半值波宽,E 为载体密度分布的能量。可见随着温度升高,白光中蓝光能量也随之增大。 相对光功率 /m W波长/nm峰值 波宽/n m温度/图3 白光LED 的相对光功率与温度的关系 图4 白光LED 中蓝光峰值半波宽与温度的关系 3:色坐标与温度的关系图5是白光LED 中蓝光波长与黄光波长随温度升高的变化。可见随着温度升高,蓝光峰

8、值波长变化不大,而黄光峰值波长在一定的温度下变化较快。 波长/n m温度/ 色坐标X 值色坐标Y 值图5 白光LED 中蓝光波长与黄光波长随温度变化 图6 色坐标与温度的关系图 对应于黄光峰值波长和蓝光峰值波长的增加,白光LED 的色坐标也呈现出相对应的变化,如图6 所示,随着温度的升高,白光LED 色坐标的x 值和y 值都减小,在色谱图上的位置向左下方偏移。从图6还可以看出,色坐标的变化曲线分为不同变化速度的两段,见图6中红色直线。可以看出,图6中色坐标的变化趋势与图5中波长随温度的变化有一定的对应关系。随着温度升高,黄光波长增长较蓝光波长增长迅速,相应的色坐标变化速度减缓。色坐标的这一变化

9、必然影响到相关色温的变化。图7是相关色温与温度的关系图,从此曲线可以看出,此曲线分为两部分,在35温度以下,色温随着温度的升高缓慢增加,在35温度以上,色温随着温度升高快速增加。 色温/K温度/图7 相关色温与温度的关系图 图8 固定温度下电压与时间的关系应注意的是,图7中相关色温与温度的关系图符合普朗克黑体辐射曲线。波长与色坐标随温度的变化是相关的。由于白光LED是以蓝光激发荧光粉发光,而此前的研究一直认为荧光粉自身的波长/色坐标随温度升高变化很小,白光LED在严酷环境下使用中所产生的发蓝、发青现象通常被认为是由于蓝光峰值波长发生了变化所致3,4,但由图3可见,由于蓝光的峰值半波宽增加,白光

10、中蓝光的能量增加,这应该是导致白光LED色温变化的一个原因;另外由图5可见,荧光粉本身的峰值波长随着温度的升高也向长波长方向移动,在色谱图上连接荧光粉自身的发射波长与蓝光的发射波长成一条直线,由于波长变长的缘故,此曲线的斜率减小。与图6色坐标与温度的关系图一致,即波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。观察图7与图6,发现色坐标与色温的变化曲线在35左右开始出现变化。色坐标变化曲线显示在35以上色坐标Y值变化速度减小,也即曲线呈下凸趋势,而色温变化在35以上变化较剧烈,可见为了保证大功率LED光学特性的稳定,产品不至于出现较大的色差,应使环境温度在一定的范围之内。本实验中,在实验所处的条件下,

11、经过反复的实验证实,当使用环境温度超过35,白光LED确会出现发蓝、发青现象。在实验中温控台的使用目的是将底座的温度保持在某一固定值,因此随着温控台温度的线性升高,可以认为LED的结温也在线形升高。白光LED色坐标的这一变化可以认为是结温随温度的变化后色坐标的变化趋势。在此试验中,有两个变化的因素,即外界温度与时间。在某一固定的温度下,随着通电时间的推移, LED芯片逐渐发热,热量通过热沉向下传递,并与温控平台进行热交换,在温度达到平衡后,时间对光电参数的影响就可以忽略。图8是在固定的温度下,电压随时间的变化关系,从图中可见,约10秒后电压基本达到稳定状态。在其他温度下,电压随时间的变化关系与

12、图8类似,在10秒后电压基本达到稳定状态。由于时间对LED光电性能的影响在温度达到稳定后可以忽略,因此温度成为影响白光LED光电性能的主要因素,温度升高导致了其正向电压的下降。由于输入电流是恒流型的,因此输入功率也被动下降,由于温度升高,与原波长匹配的荧光粉因为波长发生偏移,故而激发效率降低,所以光通量也有所下降。由图2可见,光通量与电压的下降趋势近似相同,因此可以认为,引起白光光通量下降的主要原因是温度因素影响所致,而非输入功率的影响。4:结论由于温度是影响白光LED光电性能的主要因素,随着白光LED结温的升高,其正向电压、光通量下降,色坐标向减小的方向移动,同时由于白光LED中蓝光的峰值波宽随着结温升高其半值波长增加,色温也随之升高,但其变化与色坐标的变化呈现出一定的差异。白光LED应用的瓶颈之一即是色差问题,因此在使用中应设法使结温在一定的范围内,避