温度对大功率led性能的影响

温度对大功率led性能的影响

随着高光度和多色化的发展，其应用也得到了扩展。由于其小、效率高、强度高、使用寿命长、易于与计算机匹配等优点，该灯不仅广泛用于交通信息显示、模糊显示、汽车照明等行业的照明，而且还通过户外颜色显示、景观照明、军事照明等领域进行应用。现在，它正朝着公共照明领域发展。20世纪90年代末，schrott等人发明了将蓝色管芯和黄色光泽粉安装在白色矩阵中。随着白色光矩阵的功率和效率的提高，它在生产和生活的各个方面都越来越应用。发达国家还制定了基于白色光矩阵的国家规划。进入21世纪以来,LED的可靠性日益引起关注,市场对LED可靠性要求也越来越高.目前LED在可靠性方面仍有不足,在如何获得高性能的外延材料、高亮度的器件结构和功率型器件封装等方面,还要做大量的研究工作.此外,对LED进行寿命评价的测试技术与标准也成为热门课题,测试技术的科学化和规范化以及统一的测试标准将成为LED产业健康有序发展的标尺.LED路灯将会应用于不同环境温度的地区,包括寒冷的北方城市和炎热潮湿的南方城市.本文对大功率蓝光和白光LED以及AlGaInP基大功率红光和黄光LED性能随温度的变化规律进行了研究,特别是其在低温应用时的特性,并对其中的一些现象做了分析.1led波及企业参数实验采用的样品是自制的GaN蓝光管芯,在同一厂家外封装成用于路灯组装的1W大功率GaN基蓝光和蓝光激发荧光粉方式的白光LED以及AlGaInP基的1W大功率红光和黄光LED.蓝光LED选用3支,编号为B1、B2、B3;白光LED选用2支,编号为W1、W2;红光LED和黄光LED各选3支,编号分别为R1、R2、R3和Y1、Y2、Y3.实验在高低温温控箱中进行在线的性能测试.如图1所示,光通过光纤进入光谱仪进行光参数的读取,在试验中,输入电流为350mA,红光LED与黄光LED温度设定为-30~100℃,蓝光LED与白光LED温度设定为-40~80℃,步长为10℃,允许误差±1℃.在实验过程中,温箱温度稳定在设定温度范围10min后,开始测量各项参数,以保证LED管芯的温度与环境温度达到热平衡,避免了LED与外部环境的温差,减小了实验误差.2结果与讨论2.1led光强随温度的变化图2是LED的光强随温度变化的关系曲线,由图可见,光强随温度的升高线性降低,大致呈线性关系.在低温环境下,GaN晶格震动的能量较小,缺陷等的光吸收较小,电光转换效率较大,因此光强较大.温度升高会导致半导体的光吸收以及一些损耗系数增大,使得输出光功率下降.因此,当LED的温度升高时,器件输出的发光强度将逐渐减小,通常情况下,这种变化是可逆的.低温条件下,LED的发光强度会增大,这对于器件设计者来说是有利的,但对于台灯,室内照明设计要适当考虑光强提高对人眼带来的损害,如白光和蓝光LED在-30℃时的光强比20℃时提高了1%~3%,对于AlGaInP材料,AlGaInP的发光波长越短,变化系数越大,器件的相对光强随温度增加衰减得越快,如图2所示,黄光LED的相对光强随温度变化很大,-30℃时光强比20℃时提高了近1倍,红光LED提高了9%~11%.2.2led两端横向压降与温度的关系正向电压的数值大小取决于半导体材料的特性、器件制作工艺等,当LED工作在额定电流下时,在当前温度下达到热平衡后,正向电压将随着温度的改变而变化,如图2所示.从图中可以看出,随着温度的升高,所有LED的电压逐渐下降,并且GaN基的LED变化趋势更加趋近于线性.输入电流恒定,对于一个确定的LED器件,忽略串联电阻与温度的关系,LED两端的正向压降与温度的关系为VF(T)=VF(T0)+K(T-T0)(1)式中,T为温箱温度;T0为室温;VF(T)为结温为T时的正向压降;VF(T0)为结温为T0时的正向压降;K是压降随温度变化的系数,通过对电压随温度的变化数据进行拟合,得到其温度、电压的K系数如表1所示.温度每升高1℃,蓝光LED电压减小约2.255mV,白光LED电压减小约1.393mV,红光LED电压减少约4.14mV,黄光LED电压减小约为2.97mV.对于半导体材料而言,蓝光和白光LED是一样的,均为GaN基材料,其变化规律均符合线性规律.而红光和黄光LED材料虽然都是由AlGaInP构成,但是由于材料组分不同,其禁带宽度不同,峰值波长不同,K系数会有差异,但是不会很大.这种电压变化带来的低温使用条件的危害是系统可能会被设计者增加驱动保护电路而无法启动.比如白光LED厂家提供的最大使用电压为3.2V,因此路灯设计人员在设计驱动电路时会对电压进行过保护设计,而在寒冷地区电压可能要达到3.4V,这样在复杂系统中会降低发光强度甚至无法工作.2.3algainp基与gan基led最佳能量的关系蓝光LED的峰值波长由有源区的禁带宽度所决定,白光LED是以蓝光LED芯片为激发源,激发荧光粉发出峰值为560~580nm的黄绿色光与芯片自身发出的蓝光组成白光,然而光谱仪所测得的峰值波长还是芯片发出的蓝光的峰值波长.图4是峰值波长随温度变化的关系曲线,由图可见,随着温度的升高,峰值波长发生红移,这是由于材料的禁带宽度随温度增大而减小.从图中可以看出,不论蓝光还是白光LED峰值波长变化均近似线性关系,但是有较大偏差,而AlGaInP基的LED峰值波长随温度的变化关系基本上呈线性关系.总体来看,AlGaInP基的LED波长漂移量较GaN基LED大,温度每上升10℃,GaN基LED峰值波长增加约0.5nm,AlGaInP基LED峰值波长增加约1.4nm,说明AlGaInP材料的禁带宽度随温度升高而减小的幅度较GaN基材料要大一些.从这个实验结果来看,对于用波长漂移法来测试GaN基LED的结温对于某些结构的LED会产生较大误差,而用该方法来测量AlGaInP基LED的结温则结果比较准确.峰值波长的红移对于应用影响较大的是色度的设计,特别是对于白光及RGB三基色组成的白光和全色彩显示的设计.图5是光谱的峰值半宽随温度变化的关系曲线.峰值半宽随着温度的升高而增大,在低温条件下,GaN基LED的峰值半宽比常温要小.符合公式Δλ≈(1240·ΔE)/E2gg2(2)其中,Δλ为光谱的峰值半宽值;ΔE为载流子密度分布的能量.温度升高,载流子能量增大,禁带宽度减小,Δλ增加.由图可见,实际测得的数据基本符合该公式理论.白光LED的半宽主要是荧光粉光谱的半宽.2.4温度对led显色特性的影响通过对实验数据的分析可以得出,在变温过程中,蓝光和红光LED的色温没有变化,而黄光LED的色温有小幅变化,白光LED的色温有大幅变化.从色度照明角度考虑,有必要对白光LED的色温及显色指数随温度的变化进行考察.图6是白光LED相关色温与温度的关系曲线,从图中可以看出,低温环境下的相关色温要比室温环境下低.按光源的相关色温分为3组:暖色(<3300K),中间色(3300~5300K),冷色(>5300K),这说明低温条件下LED发出的光更加柔和,偏向于暖色.相关色温随温度的升高而增加.这是由于随着温度的升高,白光LED的基础光源发出的峰值波长发生了红移,峰值半宽值增加,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,发出的组合光中蓝光的能量相对增大,黄绿光能量相对减小,这必然带动LED发出的光的相关色温增加,产生发蓝、发青现象.光源对物体的显色能力称为显色性,太阳自然白光的显色指数(Ra)定义为100,光源显色性良好,能更好更真实地显现建筑装饰的艺术色彩和被视物件的颜色,能更好地体现人的气色和良好的精神面貌.图7为白光LED的显色指数随温度变化示意图,新的《建筑照明设计标准》规定:长期工作或停留的房间或场所,光源的Ra值不宜小于80.也就是说以不小于80为基色要求,对于不连续工作的场所可以降低Ra值.从图中可以看出,低温环境下的显色指数要比室温降低,这也就意味着在照明设计过程中,必须要考虑最低环境温度,如果最低温度处于0℃以下,就要选取显色指数较高的LED.3器件结温对led性能的影响通过温度特性实验和对数据的分析可以看出,温度的变化对于LED的性能有很大影响.在低温环境下,LED的相对光强要比在室温条件下高,黄光的变化最大,-30℃时光强比20℃时提高了0.97倍,而蓝光和白光的提高了1%~3%.但低温导致正向电压升高,波长发生蓝移,对于照明应用的白光LED显色指数也会下降.在蓝、绿、黄区域,很小的波长变化就将引起人眼视觉上的变化,因此在设计中就对蓝、绿、黄等器件的温升效应提出了更