CN108055881B - 微米线或纳米线led光源的功率管理 - Google Patents

微米线或纳米线led光源的功率管理 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种管理由电致发光光源耗散的功率的方法，所述电致发光光源包括从基板突出且具有亚毫米尺寸并被分成多个相同的组的电致发光杆。通过使用本发明的措施，当面对为光源供电的电流的强度的瞬时变化时，可以管理来自光源的功率耗散。

Description

微米线或纳米线LED光源的功率管理
技术领域
本发明涉及特别是用于机动车辆的照明和光信号指示的领域。
背景技术
在用于机动车辆的照明和光信号指示的领域中，使用具有电致发光半导体部件的光源(例如电致发光二极管(LED))变得越来越普遍。当至少等于被称为正向电压的阈值的值的电压被施加到这些端子时，LED部件发射光线。耗散功率以及部件的温度通常线性取决于通过部件的电流。
以已知的方式，用于机动车辆的照明模块的一个或多个LED通过包括转换器电路的供电控制装置供电。电源控制装置被构造为将例如由机动车辆的诸如电池的电流源提供的第一强度的电流转换成具有第二强度的负载电流，该第二强度与第一强度不同。负载电流通常具有恒定的强度。
当接通照明模块时，通过LED部件的电流的强度通常瞬时从零值超过由控制装置提供的负载电流的强度。这产生了遵循相同曲线的功率耗散，即，当负载电流流经其中时，功率耗散从零值瞬时增加到LED所消耗的功率。因此LED的结区温度也非常快地变化，这通常会降低结区质量，并因此降低LED部件的寿命。
发明内容
本发明的目的是提出克服上述问题的解决方案。更具体地说，本发明的目的是管理LED部件的温度以及从而在LED部件接通时耗散的功率。
本发明的目的是管理由具有半导体的光源耗散的功率的方法，所述半导体包括多个具有亚毫米尺寸的电致发光杆，所述多个电致发光杆从基板突出并被分成多个相同的组。该方法的特征在于，根据为多个组供电的具有恒定强度的电流，管理装置在每个时刻选择串联供电的组的数量，以便满足对由该系列的组耗散的功率的预定限制。
优选地，在每个时刻，所有的组可以被电驱动。
管理装置可以优选地被构造成将所有组细分成一个或多个串联供电的组，这些系列的组在适用时被并联供电。
优选地，杆可以以阵列布置。阵列可以优选地是规则的，使得在给定线的两个连续杆之间存在恒定的空间，使得杆以交错的方式放置。
杆的高度可以优选地在1微米和10微米之间。
端面的最大尺寸可以优选地小于2微米。
优选地，分隔两个直接相邻的杆的最小距离可以等于10微米。
光源的照明表面的面积可以优选地最多为8平方毫米。
由多个电致发光杆获得的亮度可以例如为至少60Cd/mm2。
管理装置可以优选地从多个预定构造中选择串联供电的组的构造，每个构造对应于预定耗散功率水平。
在第一时刻，所有组可以优选地被并联供电，使得由每个组耗散的功率最小，并且在第一时刻之后的第二时刻，所有组可以优选地被串联供电，使得每个组耗散的功率最大。
优选地，第一时刻可以对应于用于开启光源的时刻。或者，第一时刻可以对应于源的温度超过阈值预定值的时刻。
在第一时刻，这些组可以优选地被细分为并联连接的与有多少组一样多的多个系列，每系列包括一个组。
在第二时刻，所有的组优选地形成一个系列。
在第一时刻和第二时刻之间的至少一个中间时刻，一些组可以被串联供电，使得由串联供电的组所耗散的功率具有所述最小值和最大值之间的中间值。
在中间时刻，组可以优选地被细分为多个系列，所述系列的数量严格大于1并且严格小于组的总数。
优选地，该约束是在预定持续时间的时间段内从最小值变化到最大值的递增函数。功率约束优选对应于光源的温度约束。
以优选的方式，预定持续时间小于或等于250ms，并且优选地小于或等于100ms。优选地，对串联供电的组的重新构造最多每25ms就由管理装置执行。持续时间优选对应于在半导体部件处达到稳定温度所需的时间。
本发明的另一个目的是提供一种具有半导体的光源，该光源包括基板和从该基板突出的具有亚毫米尺寸的多个电致发光杆。该光源的特征在于，所述杆被分成多个相同的组，每个组被构造为被选择性地供电。
光源可以有利地包括被构造为实现根据本发明的方法的管理装置。
优选地，光源可以包括连接到不同阳极的几组杆。每个组可以独立于另一个或其他组被供电。每组的杆可以有利地全部是相同类型的，即以相同的光谱发射。这些组可以有利地是相同的并且代表共同的正向电压。优选地，每个组因此可以基本上包括相同数量的半导体线或杆。
管理装置可以优选地被构造为组织多组光源的串联和/或并联的相对连接，使得由该系列组耗散的功率小于或等于预定约束。
优选地，管理装置可以被构造为从被接通的光源逐渐增加串联连接和供电的组的数量。
优选地，管理装置可以包括电子电路和/或微控制器元件。
以优选的方式，光源的基板可以包括硅。有利地，基板可以由硅制成。
管理装置可以优选地集成到基板中。
优选地，光源可以包括多个电流注入装置，其可以与这些组并联连接，管理装置被构造为选择电流注入装置与这些组的连接，使得由该系列组在每个时刻之间耗散的功率的变化是连续的。
本发明的另一目的是一种照明模块，其包括适于发射光线的至少一个光源以及适于接收光线和用于生成光束的光学装置。该模块的特征在于，所述一个或多个光源是根据本发明的光源并且所述模块包括被构造为实施根据本发明的方法的管理装置。
本发明的措施是有趣的，因为它们能够限制功率耗散随时间的变化，和因此限制具有纳米线或微米线(也称为杆)形式的电致发光二极管的光源的温度随着时间的变化，而通过部件的负载电流的随时间的变化不受限制，即它是在光源接通时被观察到的瞬时变化。该方法能够通过从多个预定构造中进行选择来以动态方式重新构造各组半导体杆之间的互连。具有半导体微米线或纳米线的源的使用使得尤其可以使用大量的组，这导致大量的预定构造并且导致在管理和调节由光源耗散的功率的方法中具有非常精细的细节水平。而且，当源的基板由硅制成时，实现管理装置的电子电路可以直接建立在源的基板上。清楚的是，本发明能够自动地防止具有电致发光线的光源的半导体结区处的温度不合时宜的跳变，这增加了这些部件的寿命并且减少了对维护和/或对其进行更换的需要。这个优点是在不改变用于源的电源控制装置的情况下实现的，这意味着当源被接通时提供具有恒定强度的电流。
附图说明
从说明书和附图中可以更好地理解本发明的其它特征和优点，其中：
-图1是在本发明的优选实施例中使用的光源的视图；
-图2示意性地示出了根据本发明的优选实施例的光源的多组半导体杆；
-图3表示在使用根据本发明的优选实施例的方法之后提供给光源的电流ILED的强度，功率约束P以及耗散的功率随时间的变化；
-图4A-4E示意性地示出根据本发明的优选实施例的图2中所示的组的可能构造，例如以产生图3中所示的耗散功率曲线。
具体实施方式
在没有相反的指示的情况下，针对给定实施例详细描述的技术特征可以与在作为示例描述的其他实施例的上下文中以非限制性方式描述的技术特征相结合。
图1示出了根据本发明第一实施例的电致发光光源001。图1说明了光源的基本原理。光源001包括基板010，基板010上放置有一系列电致发光二极管，其呈现为从基板突出的线020(也称为电致发光杆)的形式。每个二极管020的芯部022由n型半导体材料制成，即掺杂有电子的半导体材料，而外壳024由p型半导体材料制成，即掺杂有空穴的半导体材料。在n型和p型半导体材料之间提供复合区域026。然而，可以设想特别地取决于所选择的技术来使半导体材料相反。
基板有利地由硅制成，杆的直径小于1微米。在一个替代方案中，基板包括掺杂有空穴的半导体材料层，并且线具有100nm-500nm之间的直径。形成二极管的掺杂有电子和空穴的半导体材料可以有利地为氮化镓(GaN)或氮化铟镓(InGaN)。杆的高度通常在1微米至10微米之间，而端面的最大尺寸小于2微米。根据优选实施例，杆以规则的布局排列成阵列。两个杆之间的距离是恒定的并且等于至少10μm。杆可以以交错的方式放置。这种光源的照明表面的面积最多为8平方毫米。光源可以产生至少60Cd/mm2的亮度。
参照图1，基板010包括有利地由硅制成的主层030，放置在主层的与二极管020相反的面上的第一电极或阴极040以及置于包括二极管020的面上的第二电极或阳极050。阳极050与形成二极管020的外壳024并且在基板010的相应面上延伸的p型半导体材料接触，以便在所述外壳024和阳极050之间形成导电层。杆的芯部或核心022与半导体主层030接触并因此与阴极040电接触。
在阳极和阴极之间施加电压期间，n型半导体材料的电子与p型半导体材料的空穴复合并发射光子。大部分复合是辐射性的。二极管或杆的发光面是p区，因为它是最有辐射性的。
根据本发明，光源2包括连接到不同阳极的几组杆。因此，每个组可独立于另一个组或其他组而被供电。每组的杆有利地全部是相同的类型，即以相同的光谱发射。这些组有利地是相同的并且表示共同的正向电压。优选地，每个组因此包括基本上相同数量的半导体线或杆。
图2示意性地示出了包括从基底110突出的电致发光线120或杆的形式的电致发光二极管的光源101的正视图。杆被分成多个相同的组161-169。举例来说，这些组被显示为具有相同尺寸的正方形。可以产生组的其他布局和/或几何形状，而没有脱离本发明的范围。存在于部件上的大量杆120特别地可以提供多于该示例中所示的九个组的多个组。
参考图2的源101和图3的图示来描述管理方法。图3首先描述可能经由转换器元件或经由未示出的用于控制源101的供电的电路由电流源提供的电流ILED随时间的变化。当电源101被接通时，电流ILED的强度变化是瞬时的。为了防止源101的半导体结区被损坏，用于管理耗散功率的装置被构造成使得由源101耗散的功率在任何时刻小于功率约束P，而在任何时刻，所有组都被电驱动。根据梯级A-E，耗散功率以及因此半导体结区的温度在第一零值和第二最大值之间逐渐增加。因此在源101处观测到的温度随时间的变化被限制，而所提供电流的强度随时间的变化不受限制。
为了实现如图3所示的梯级的耗散功率的进展，管理装置适合于动态重新构造各个组161-169的相对电连接。特别地，管理装置被构造为调整串联供电的组的数量，这对于通过相应组的电流具有直接影响，并且因此还对从而耗散的功率以及其结区温度具有直接影响。通过逐步和逐阶段增加串联连接和供电的组的数量，产生耗散功率梯级(step)A-E。每个梯级的持续时间优选地对应于至少25ms，其通常对应于在一组二极管中的电流改变之后获得稳定温度所需的时间。管理装置可以特别通过包括开关，晶体管或其他电子部件的电路或借助于可编程微控制器元件来建立。
对应于图3所示的梯级A-E的示例性构造分别由图4A-4E给出。每组杆161-169由单个电致发光二极管的符号表示，以确保该图清晰。根据预期的实际用途，根据可用的多组电致发光源的特性以及根据要生成的梯级的数量，本领域技术人员将能够调整构造。在不脱离本发明的范围的情况下，这些参数的调整落入本领域技术人员的技能范围内。
图4A中示出了用于组161-169的第一示例性电源构造。所有的组被并联供电，使得通过每个组的电流具有最小的强度。每个组中的结区温度可以被认为是相等的。
图4B的构造增加了以两个的形式串联连接的组的数量。特别地，由组161和164,162和165,163和166形成的对被具有第一强度的电流通过，该电流的第一强度大于在实施例4A中通过它们的电流的强度。因此其各自的温度基本上彼此相等，但是大于其在构造4A中的相应温度。组167-169被具有第二强度的电流通过。在图4C的构造中，附加的一对组164和168串联连接，并且因此耗散功率和源101的总体温度相对于前面的示例增加。
在图4D的构造中，九组161-169以串联的三个成一组的方式连接成三组。因此，每一组都由具有相同强度的电流通过，该相同强度大于前面例子中通过它们的电流的强度。最后，在图4E所示的最终构造中，所有的各组二极管161-169串联供电并且电流ILED通过所有的二极管。有利地，电流注入装置170可以经由并联连接来提供，这允许连接的几乎连续的重新构造。
通过每25毫秒考虑重新构造，通过中间构造从构造4A移动到构造4E在大约150毫秒内实现。因此，由光源101耗散的功率的这种管理允许源瞬间接通。尽管依赖于通过二极管的电流的发光光通量在构造4A-4E中不是恒定的，但是人眼无法看到快速变化。同时，避免了二极管结区温度的瞬时变化，这使得源更加稳健耐用。
半导体线或杆从其突出的源101的基板可以有利地由硅制成。在这种情况下，可以有利地直接在光源的基板中或基板上建立刚刚描述的产生用于管理功率的装置的电子部件。所得到的源因此自动地管理其耗散功率，以保护其半导体结区免于不适当的温度升高。或者，管理装置可以在相对于光源的基板偏移的印刷电路上生成。

Claims (10)

1.一种管理由光源(001,101)耗散的功率的方法，所述光源具有半导体，所述半导体包括具有亚毫米尺寸的多个电致发光杆(020,120)，所述多个电致发光杆从基板(010,110)突出并分成多个相同的组(161-169)，其特征在于，根据被提供以给所述多个组供电的具有恒定强度的电流ILED，管理装置在每个时刻选择串联供电的组的数量，以满足对由一系列的组耗散的功率的预定约束，
其中在第一时刻，所有组被并联供电，使得由每个组所耗散的功率是最小的，并且在第一时刻后的第二时刻，所有的组都被串联供电，使得由每个组耗散的功率都是最大的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在第一时刻和第二时刻之间的至少一个中间时刻，一些组被串联供电，使得由串联供电的组所耗散的功率具有在所述最小值和所述最大值之间的中间值。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，
所述约束是在预定持续时间的时间段内从最小值变化到最大值的递增函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述预定持续时间小于或等于250ms。
5.一种具有半导体的光源(001,101)，包括：
基板(010,110)；
具有从基板突出的亚毫米尺寸的多个电致发光杆(020,120)；
其特征在于：
所述杆被分成多个相同的组(161-169)，每个组被构造为被选择性地供电，
其中所述光源包括管理装置，所述管理装置被构造为实施根据权利要求1-4中的任一项所述的方法。
6.根据权利要求5所述的光源，其特征在于，
所述管理装置包括电子电路和/或微控制器元件。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的光源，其特征在于，
所述基板由硅制成。
8.根据权利要求7所述的光源，其特征在于，
所述管理装置被集成到所述基板中。
9.根据权利要求5至6中任一项所述的光源，其特征在于，
所述光源包括多个电流注入装置(170)，所述多个电流注入装置能够并联连接至所述组，所述管理装置被构造为选择电流注入装置与组的连接，使得在每个时刻之间由该系列的组耗散的功率的变化是连续的。
10.一种照明模块，包括：
-适合于发射光线的至少一个光源(001,101)；
-适于接收光线和产生光束的光学装置；
其特征在于，所述光源是根据权利要求5-9中任一项所述的光源，并且所述模块包括管理装置，所述管理装置被构造为实施根据权利要求1-4中任一项所述的方法。
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