CN103942414A - Led集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法，该方法以发光效率为构建电学与热学参数之间的关键过渡变量，通过分析建立包含结温与电功率变量的发光效率二维函数，进而可定量获得LED产品光功率、结温、电功率之间的联系理论模型。通过此理论模型可提取在给定的散热条件下，LED集成模块最大的输出光通量对应的负载电功率，该理论对集成模块产品选择最佳工作状态具有非常重要的指导意义。该方法为分析LED系统光学特性以及开展热学管理提供一个重要参考依据。

Description

LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法

技术领域

本发明涉及LED照明领域，具体设计一种提取大功率LED集成模组的热功耗系数/结温以及光功率参数的新方法。 

背景技术

功率型LED照明系统产品是一种基于半导体发光原理的新型固态冷光源。从目前的发展趋势来看，功率型高亮度白光发光二极管(LED)将成为无汞、节能的绿色光源。相比于其它光源，半导体照明具有节能、高效、长寿命、无汞环保等优点，可以节省大量的能源消耗，减少温室气体的排放，降低环境污染。可以预期，半导体照明材料和器件将凭借其高效、节能、环保、使用寿命长、易维护等独特优势，必将成为新一代绿色照明光源，是未来在能源和环保领域真正实现可持续发展的关键性技术、产品和工业体系。 

LED照明系统中结温是一个会影响发光效率、最大光输出量以及可靠性的重要参数。然而，基于LED封装特点，结温不可能通过直接测量得出。许多研究人员报道LED结温的测量是通过电压-温度的依存关系，拉曼光谱，电致发光谱，热成像以及非接触的方法等。然而，为了得到精确的结温大多数的测量方法要求复杂的设备安装才能进行。比如LED的热功耗系数是通过将LED器件浸没在硅油中，通过测试硅油的温度变化，进而计算获得LED系统的热功耗系数，虽然该种测量方法可提供准确的测试结果，但所需要的测试时间较长，不利于在生产线中推广。 

发光效率是衡量LED照明系统性能的一个重要指标，LED的发光效率通常 随着温度上升1℃减小约0.2％-1％。随着LED器件老化，发光效率随温度的衰减幅度可能高于此数据。在一些应用中，如汽车前照灯和紧凑的灯，它周围的环境温度可能是非常高的，并且散热片的大小是有限的，因热量问题导致发光效率下降将是严重的，会造成LED系统的光输出明显下降。 

多个LED器件集成为照明产品系统，由于有限的散热面积致使集成模块还未达到额定功率，输出的光通量已经达到饱和，之后随着电功率增大，光通量反而呈下降趋势，然而大部分用户无法预估在某个特定热沉下，LED系统的热功耗系数/结温及光功率参数，以及照明系统处于最佳工作状态下的驱动负载电功率，因此无法充分利用LED照明系统。将发光效率与结温近似认为线性关系，而实际情况中发光效率同时受到结温与电流两个独立变量的影响。本项目进一步优化此理论模型，进而可更加精确预测集成模块的最佳工作条件，并基于此理论建立一套只需通过光通量测试，预测集成模块内部结温值。 

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法，从而实现确定不同散热条件下LED集成模组最佳负载功率范围。该方法涵盖了LED集成模组的光功率、热功耗系数、结温、光通量等参数，为LED集成模组的设计和优化提供了一种重要工具，该方法只需要简单的仪器设备，因此该理论具有重要推广以及应用价值。 

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法：以发光效率为构建电学与热学参数之间的关键过渡变量，通过分析建立包含结温与电功率变量的发光效率二维函数，进而可定量获得LED产品光功率、结温、电功率之间的联系理论模型；通过此理论模型可 提取在给定的散热条件下，LED系统最大的输出光通量对应的负载电功率。 

具体步骤为: 

1)将LED集成模组固定于控温装置并加载脉冲电流，将所述LED集成模组的电功率P_d0设为恒定值，调节所述控温装置，测量不同热沉温度情况下所述LED集成模组的发光效率；从而得出在恒定电功率的情况下，所述LED集成模组的发光效率与热沉温度之间的关系为： 

η_W(T_hs,P_d0)＝σT_hs+τ 

其中σ、τ为相关系数； 

2)将所述LED集成模组固定于控温装置，固定所述控温装置，使热沉温度为T_hs0为恒定值，测量不同电功率情况下所述LED集成模组的发光效率；从而得出在恒定热沉温度的前提下，所述LED集成模组的发光效率与电功率之间的关系为： 

${\mathrm{\η}}_W(T_{\mathrm{hs}0},P_d)=\mathrm{\χ}{P}_d^2+\mathrm{\δ}{P}_d+\mathrm{\γ}$

其中χ、δ、γ为相关系数； 

3)根据步骤1和步骤2的测量结果，建立所述LED集成模组的发光效率与热沉温度、电功率之间的二次函数关系，并确定相关系数；所述二次函数关系式为： 

${\mathrm{\η}}_W=(T_{\mathrm{hs}},P_d)=\frac{(\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{hs}}+\mathrm{\τ})(\mathrm{\χ}{P}_d^2+\mathrm{\δ}{P}_d+\mathrm{\γ})}{\mathrm{\μ}}$

其中μ对应着η_w在点(T_hs0，P_d0)的值； 

4)采用所提出的多项式正交二维模型，提取L所述LED集成模组的热功耗系数和光功率； 

所述光功率的计算式为： 

P_opt(T_hs,P_d)＝(σ'T_hs+τ')(χP_d ³+δP_d ²+γP_d) 

所述热功耗系数的计算式为： 

$k_h=\frac{1-P_{\mathrm{opt}}(T_{\mathrm{hs}},P_d)}{P_d}=\frac{1-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P_d}^3+\mathrm{\δ}{P_d}^2+\mathrm{\γ}{P}_d)}{P_d}$

其中σ'＝σ/μ,τ'＝τ/μ； 

5)结合LED热学模型，提取所述LED集成模组的结温参数； 

所述结温的计算式为： 

$T_j=R_{\mathrm{jc}}[P_d-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P_d}^3+\mathrm{\δ}{P}_d^2+\mathrm{\γ}{P}_d)]+T_{\mathrm{hs}}$

所述光通量的计算式为： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_v={\mathrm{NEP}}_d\\ ={\mathrm{NE}}_0\left\{\right[1+k_e(T_a-T_0)]P_d+k_e{k}_h(R_{\mathrm{jc}}+{\mathrm{NR}}_{\mathrm{hs}})P_d^2\\ ={\mathrm{NE}}_0\left\{\right[1+k_e(T_a-T_0)]P_d+k_e[1-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P}_d^2+{\mathrm{\δP}}_d+\mathrm{\γ})\left](R_{\mathrm{jc}}+{\mathrm{NR}}_{\mathrm{hs}})P_d^2\right\}\end{array}$

其中E为所述LED集成模组的发光效能，E₀是所述LED集成模组在额定温度T₀下的额定发光效能。 

作为优选：所述脉冲电流为占空比低，频率高的脉冲电流。 

作为优选：所述将所述LED集成模组的电功率P_d0设为恒定值是指将所述LED集成模组的电功率P_d0设为所述LEC集成模组的额定功率的65％-70％ 

相较于现有技术，本发明具备以下有益效果： 

1.本发明可用于计算LED集成模组的热功耗系数、结温以及光功率，只要要简单的测量仪器，简单便捷，有很好的推广意义。 

2.通过计算得到的参数从另一个角度提供了一种构建及优化LED集成模组的方法，通过建立一个由散热器与每个LED发射光通量的模型；选择一个特定散热器，使得LED集成模组固定于该散热器情况下，LED集成模组在额定电功 率负载情况下，系统输出的光通量为理论最大光通量的70％-80％。 

附图说明

图1为本发明优选实施例的实施流程图； 

图2是本发明优选实施例中固定热沉温度情况下，LED集成模组的发光效率与电功率的关系示意图； 

图3是本发明优选实施例中固定电功率情况下，LED集成模组的发光效率与热沉温度的关系示意图； 

图4是本发明优选实施例中LED集成模组的发光效率与电功率、热沉温度的二维关系示意图； 

图5是本发明优选实施例中LED集成模组在不同散热条件下光功率的计算值与测试值示意图； 

图6是本发明优选实施例中LED集成模组在不同散热条件下热功耗系数的计算值与测试值示意图； 

图7是本发明优选实施例中LED集成模组在不同散热条件下光通量的计算值与测试值的示意图 

图8是本发明优选实施例中LED集成模组在不同散热条件下结温的计算值与测试值的示意图 

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明做一进步的说明。 

参阅图1，LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法包括： 

1)将LED集成模组，优选为将Sharp LED：GW5BWF15L00(下文简称Sharp LED)，固定于控温装置并加载脉冲电流，所述脉冲电流为将占空比为0.03％，宽度为300μs的脉冲电流。将所述Sharp LED的电功率P_d0设为恒定值，优选为3.9W。调节所述控温装置，测量不同热沉温度情况下所述Sharp LED的发光效率，如图3所示。从而得出在恒定电功率的情况下，所述Sharp LED的发光效率与热沉温度之间的关系为： 

η_W(T_hs,P_d0)＝σT_hs+τ 

其中σ、τ为相关系数； 

2)将所述Sharp LED固定于控温装置，固定所述控温装置，使热沉温度为T_hs0为恒定值，优选为74℃。测量不同电功率情况下所述Sharp LED的发光效率，如图2所示。从而得出在恒定热沉温度的前提下，所述Sharp LED的发光效率与电功率之间的关系为： 

${\mathrm{\η}}_W(T_{\mathrm{hs}0},P_d)=\mathrm{\χ}{P}_d^2+\mathrm{\δ}{P}_d+\mathrm{\γ}$

其中χ、δ、γ为相关系数。 

3)建立所述Sharp LED的发光效率与热沉温度、电功率之间的二次函数关系，如图4所示；所述二次函数关系式为： 

${\mathrm{\η}}_W=(T_{\mathrm{hs}},P_d)=\frac{(\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{hs}}+\mathrm{\τ})(\mathrm{\χ}{P}_d^2+\mathrm{\δ}{P}_d+\mathrm{\γ})}{\mathrm{\μ}}$

其中μ对应着η_w在点(T_hs0，P_d0)的值； 

利用步骤1和步骤2中的测量结果，求得所述相关系数的值为：σ＝-0.00109，τ＝0.267，χ＝0.0018，δ＝-0.0346，γ＝0.326，μ＝0.180。 

4)采用所提出的多项式正交二维模型，提取L所述Sharp LED的热功耗系数和光功率； 

所述光功率的计算式为： 

P_opt(T_hs,P_d)＝(σ'T_hs+τ')(χP_d ³+δP_d ²+γP_d) 

图5显示了依照上式的计算结果与实际测量结果之间的示意图。 

所述热功耗系数的计算式为： 

$k_h=\frac{1-P_{\mathrm{opt}}(T_{\mathrm{hs}},P_d)}{P_d}=\frac{1-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P_d}^3+\mathrm{\δ}{P_d}^2+\mathrm{\γ}{P}_d)}{P_d}$

其中σ'＝σ/μ＝-0.00606,τ'＝τ/μ＝1.48333； 

图6显示了依照上式的计算结果与实际测量结果之间的示意图。 

5)结合LED热学模型，提取所述Sharp LED的结温和光通量； 

所述结温的计算式为： 

$T_j=R_{\mathrm{jc}}[P_d-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P_d}^3+\mathrm{\δ}{P}_d^2+\mathrm{\γ}{P}_d)]+T_{\mathrm{hs}}$

图7显示了依照上式的计算结果与实际测量结果之间的示意图。 

所述光通量的计算式为： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_v={\mathrm{NEP}}_d\\ ={\mathrm{NE}}_0\left\{\right[1+k_e(T_a-T_0)]P_d+k_e{k}_h(R_{\mathrm{jc}}+{\mathrm{NR}}_{\mathrm{hs}})P_d^2\\ ={\mathrm{NE}}_0\left\{\right[1+k_e(T_a-T_0)]P_d+k_e[1-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P}_d^2+{\mathrm{\δP}}_d+\mathrm{\γ})\left](R_{\mathrm{jc}}+{\mathrm{NR}}_{\mathrm{hs}})P_d^2\right\}\end{array}$

其中E为所述LED集成模组的发光效能，E₀是所述LED集成模组在额定温度T₀下的额定发光效能。 

图8显示了依照上式的计算结果与实际测量结果之间的示意图。 

6)根据所求的参数值，确定不同散热条件下所述Sharp LED最佳负载功率范围。 

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，等同变 化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (3)

1.LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法，其特征在于：以发光效率为构建电学与热学参数之间的关键过渡变量，通过分析建立包含结温与电功率变量的发光效率二维函数，进而可定量获得LED产品光功率、结温、电功率之间的联系理论模型；通过此理论模型可提取在给定的散热条件下，LED系统最大的输出光通量对应的负载电功率；

具体步骤为:

1)将LED集成模组固定于控温装置并加载脉冲电流，将所述LED集成模组的电功率P_d0设为恒定值，调节所述控温装置，测量不同热沉温度情况下所述LED集成模组的发光效率；从而得出在恒定电功率的情况下，所述LED集成模组的发光效率与热沉温度之间的关系为：

η_W(T_hs,P_d0)=σT_hs+τ

其中σ、τ为相关系数；

2）将所述LED集成模组固定于控温装置，固定所述控温装置，使热沉温度为T_hs0为恒定值，测量不同电功率情况下所述LED集成模组的发光5效率；从而得出在恒定热沉温度的前提下，所述LED集成模组的发光效率与电功率之间的关系为：

η_W(T_hs0,P_d)=χP_d ²+δP_d+γ

其中χ、δ、γ为相关系数；

3）根据步骤1和步骤2的测量结果，建立所述LED集成模组的发光效率与热沉温度、电功率之间的二次函数关系，并确定相关系数；所述二次函数关系式为：

${\mathrm{\η}}_W(T_{\mathrm{hs}},P_d)=\frac{(\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{hs}}+\mathrm{\τ})(\mathrm{\χ}{P_d}^2+\mathrm{\δ}{P}_d+\mathrm{\γ})}{\mathrm{\μ}}$

其中μ对应着η_w在点（T_hs0，P_d0）的值；

4）采用所提出的多项式正交二维模型，提取L所述LED集成模组的热功耗系数和光功率；

所述光功率的计算式为：

P_opt(T_hs,P_d)=(σ'T_hs+τ')(χP_d ³+δP_d ²+γP_d)

所述热功耗系数的计算式为：

$k_h=\frac{1-P_{\mathrm{opt}}(T_{\mathrm{hs}},P_d)}{P_d}=\frac{1-({\mathrm{\σ}}^{\′}{T}_{\mathrm{hs}}+{\mathrm{\τ}}^{\′})(\mathrm{\χ}{P_d}^3+\mathrm{\δ}{P_d}^2+\mathrm{\γ}{P}_d)}{P_d}$

其中σ'=σ/μ,τ'=τ/μ;

5）结合LED热学模型，提取所述LED集成模组的结温和光通量；

所述结温的计算式为：

T_j=R_jc[P_d-(σ'T_hs+τ')(χP_d ³+δP_d ²+γP_d)]+T_hs

所述光通量的计算式为：

φ_v=NEP_d=NE₀{[1+k_e(T_a-T₀)]P_d+k_ek_h(R_jc+NR_hs)P_d ²}=NE₀{[1+k_e(T_a-T₀)]P_d+k_e[1-(σ'T_hs+τ')(χP_d ²+δP_d+γ)](R_jc+NR_hs)P_d ²}

其中E为所述LED集成模组的发光效能，E₀是所述LED集成模组在额定温度T₀下的额定发光效能。

2.根据权利要求1所述的LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法，其特征在于：所述脉冲电流为占空比低，频率高的脉冲电流。

3.根据权利要求1所述的LED集成模组的热功耗系数、结温和光功率的计算方法，其特征在于：所述将所述LED集成模组的电功率P_d0设为恒定值是指将所述LED集成模组的电功率P_d0设为所述LEC集成模组的额定功率的65%-70%。