大功率led照明技術(shù)的應用與發(fā)展

大功率led照明技術(shù)的應用與發(fā)展

根據(jù)國家第25條，能源問題是與國家戰(zhàn)略密切相關(guān)的重要問題。中國已經(jīng)成為能源消費最重要的國家。隨著GDP的增長,能源的消耗勢必還要增加。如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低能耗,使單位GDP的能耗水平下降,已是擺在我們面前的一個重要課題。在全球氣候變暖和能源短缺的雙重作用下,各國政府日趨重視節(jié)能環(huán)保,各主要國家和地區(qū)陸續(xù)推出白熾燈禁用時間表,推動節(jié)能環(huán)保型照明光源的使用,因此國際上LED照明光源的研究和發(fā)展進程很快。我國也同樣如此,大功率LED照明的實際應用和推廣已經(jīng)走在了世界的前列。LED是一種新光源,與傳統(tǒng)光源有很大的區(qū)別,雖然國內(nèi)乃至國際上已經(jīng)出臺了一些規(guī)范和標準,但是國際上關(guān)于LED照明光源的光電參數(shù)指標,還有一些爭論尚未定論。本文評述了LED照明技術(shù)在國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀,并對其光學特性、散熱問題、電源驅(qū)動和照明燈具配光等問題進行分析論證,最后探討了LED照明技術(shù)的發(fā)展趨勢。1國外照明的應用和開發(fā)1.1美國led照明現(xiàn)狀及趨勢美國在LED照明的產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)上一直處于領(lǐng)先地位,科銳(CREE)和流明(LUMILEDS)兩大公司是LED技術(shù)的領(lǐng)跑者。他們擁有LED外延片、芯片和相關(guān)設(shè)備的知識產(chǎn)權(quán)和科研開發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢。在LED照明領(lǐng)域,雖然科銳公司和流明公司的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性很高,但是由于美國人的節(jié)能意識往往不如歐洲人高,且各州具有很大的自主權(quán),故LED照明的推廣速度并不是很快,但是已經(jīng)可以看到許多實際應用的案例。2013年初密西根州已經(jīng)更換了許多公路照明燈,該州新安裝的室外照明也采用了LED光源。其它州的展覽館、博物館等公共場所已經(jīng)可以看到LED照明的實際應用。美國政府計劃從2012年開始逐步采用LED替代熒光燈,2020年全面進入市場。美國使用LED照明的實例如圖1所示。2012年4月,美國能源部發(fā)布了“固態(tài)照明計劃”(簡稱SSL計劃)。該計劃以技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造、商業(yè)化支持、專利標準體系等方面為重點,提出了促進美國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標、路線及相應的對策措施。在“SSL計劃”的推動下,美國能源部預測,到2030年美國LED固態(tài)照明市場占有率將達到73.7%。屆時每年將節(jié)省297萬億kWh的照明用電,約折合45.8%的照明電力以及2.1億t的碳排放。1.2歐司朗公司的led照明歐洲人的節(jié)能意識比較強,歐盟于2000年7月開始制定實施“彩虹計劃”,以推廣白光發(fā)光二極管的應用。歐洲LED照明主要以歐司朗(OSRAM)和飛利浦(PHILIPS)世界兩大著名照明企業(yè)為代表,德國歐司朗公司建立了世界上最先進的芯片生產(chǎn)線,主要用來生產(chǎn)LED照明產(chǎn)品,其照明產(chǎn)品廣泛使用在公共場所、辦公環(huán)境、工廠、家庭,以及公共交通客車車廂和機艙,歐司朗的高端LED照明產(chǎn)品主要用于航空、航天飛行器?？偛吭O(shè)在荷蘭的飛利浦公司在LED照明領(lǐng)域雖比德國的歐司朗公司起步晚一些,但近年來已經(jīng)大踏步趕上,2012年,在飛利浦上海研發(fā)測試中心,已經(jīng)看到高光效200W的LED工礦照明燈。在LED照明應用方面,歐洲率先將LED用于辦公環(huán)境照明。LED照明在歐洲應用的實例如圖2所示。歐洲的LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對比較成熟,在歐洲,雖然并未見到類似中國的大規(guī)模補貼政策,但是其高昂的電價以及文化的差異,使得商用照明與戶外建筑情境照明應用持續(xù)存在需求。2009年歐盟通過法規(guī),規(guī)定在2009年至2012年逐步從市場上淘汰白熾燈,因此歐洲的LED照明持續(xù)發(fā)展。LED在線(LEDinside)網(wǎng)站“2011年~2015年歐洲LED照明市場報告書”指出,2011年歐洲LED照明市場已經(jīng)突破20.8億美金,比2010年增長10%。未來幾年受到白熾燈全面禁止的政策影響,預估市場將呈現(xiàn)大幅度增長的狀況。根據(jù)LED在線預測,歐洲LED照明市場至2015年將會達到100億美元的規(guī)模,2011~2015年間的年復合成長率預計約為49%,是繼日本市場后,LED照明下一個快速成長的成熟市場。1.3日本led照明現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀亞洲地區(qū),日本在功率型高亮度LED及其外延片、芯片的研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面處于國際領(lǐng)先水平,日亞化學(NICHIA)公司在白光LED研發(fā)工作上投入大量人力、物力,掌握許多有關(guān)藍光/白光LED的專利。日亞化學已與美國流明公司達成協(xié)議,雙方將簽訂LED相關(guān)專利技術(shù)的交叉授權(quán)合約,涵蓋的對象包括兩家公司擁有的所有LED相關(guān)專利技術(shù),在日本的一些機場已經(jīng)可以看到許多LED照明的應用案例。韓國近幾年對高亮度LED的需求增溫,主要以首爾半導體(SEOULSEMICONDUCTOR)公司為代表,在外延片及芯片生產(chǎn)、器件封裝、應用產(chǎn)品開發(fā)等方面得到迅速的發(fā)展,韓國的LED照明產(chǎn)業(yè)布局起步比較晚,但以價格低為優(yōu)勢,在短短幾年之間迅速崛起,成為世界上最大的LED光源生產(chǎn)基地。近年來,韓國政府積極推廣照明節(jié)能,制定出一系列培育強化LED產(chǎn)業(yè)的相關(guān)政策,2012年2月份,通過對綠色成長政策進行情況的檢驗,公共部分LED照明普及預算從2011年的82億元大幅提高至2012年的319億元。韓國政府推出的節(jié)能目標是:到2020年實現(xiàn)公共事業(yè)機構(gòu)100%LED照明,將全國LED照明普及率提升至60%。韓國以城市為中心逐步擴大LED照明的使用。截至2010年4月,韓國首爾的公共機構(gòu)整體約93萬個照明燈具中,其中17%已經(jīng)更換為LED照明燈具,并計劃2020年前將首爾公共機構(gòu)所有照明燈具都更換為LED。日、韓應用LED照明的實例如圖3所示。2led照明企業(yè)在電光源照明領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀我國LED半導體產(chǎn)業(yè)起步于20世紀70年代,而LED照明產(chǎn)業(yè)起步于20世紀90年代初期,LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40年的發(fā)展,已經(jīng)初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片制造、LED芯片封裝及LED產(chǎn)品應用等較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在將節(jié)能問題定為國策的情況下,國家和地方出臺了許多節(jié)能方面的優(yōu)惠政策,因此我國目前在LED照明光源的生產(chǎn)和研發(fā)工作方面發(fā)展迅猛,生產(chǎn)企業(yè)主要集中在珠三角和長三角地區(qū),2013年開始向西部地區(qū)發(fā)展。但我國在外延片和芯片制造技術(shù)方面還沒有大的突破,這部分核心技術(shù)基本上掌握在美國、歐洲、日本、韓國方面,我們在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈中承擔的絕大部分工作為封裝、生產(chǎn)。由于這部分工作門檻相對較低,上馬比較容易,尤其在生產(chǎn)方面,需要的設(shè)備較少,技術(shù)含量相對較低,屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè),與歐美國家相比,我國具備明顯的勞動力成本優(yōu)勢,因此有大量的企業(yè)進入這一領(lǐng)域,形成了LED照明加工生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模。由于LED照明的技術(shù)規(guī)范標準尚未出臺,一些小型加工企業(yè),借助浙江、福建、廣東沿海的地理優(yōu)勢,從韓國等地進口芯片,在珠三角和長三角地區(qū)進行封裝加工生產(chǎn),所以光源產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊,價格相差較大。從產(chǎn)品質(zhì)量上看,具有一定規(guī)模的生產(chǎn)廠或企業(yè),有較強的研發(fā)力量,這些企業(yè)采用聘請留學回國專業(yè)人員、與國內(nèi)高?；蜓芯繂挝缓献鏖_發(fā)產(chǎn)品的方式,具備一定的研發(fā)、生產(chǎn)和試驗能力,整個過程比較規(guī)范,產(chǎn)品質(zhì)量能夠保證,產(chǎn)品價格相對小廠要高。目前大部分LED照明光源企業(yè)以生產(chǎn)20W以下的小功率LED照明燈為主,代表產(chǎn)品有:LED支架燈,對應現(xiàn)在大量使用的熒光燈;LED球泡燈,對應現(xiàn)在的白熾燈;LED吸頂燈,對應現(xiàn)有的環(huán)形熒光吸頂燈。這些產(chǎn)品主要用于商業(yè)櫥窗、辦公照明和家庭照明。部分企業(yè)生產(chǎn)的大功率LED道路照明燈已經(jīng)用于城市道路和隧道照明。LED工礦燈的生產(chǎn)企業(yè)相對較少,原因是高大空間的照明除了光源外,還需要對燈罩做二次配光設(shè)計。雖然現(xiàn)在也有些小公司或小企業(yè)采用外購方式進行拼裝來獲取利潤,但是其光效、配光曲線、眩光和散熱等主要技術(shù)指標無法保證。LED照明是新的技術(shù),目前的生產(chǎn)成本還相對較高,大功率LED照明的價格大約在15元/W,也有些小企業(yè)和小公司選擇低價位的LED產(chǎn)品進行拼裝,質(zhì)量不能得到保證,但價格可以做到10元/W以下。這些小型企業(yè)降低技術(shù)標準,以低廉的價格占領(lǐng)市場,在我國LED照明應用中產(chǎn)生了一些副作用,其產(chǎn)生的現(xiàn)象為光衰快、故障率高,使人們對LED照明的應用產(chǎn)生了質(zhì)疑。隨著LED照明技術(shù)不斷發(fā)展與突破,LED發(fā)光效率逐步提高,性能價格比也不斷提升,LED照明產(chǎn)品在電光源照明領(lǐng)域的應用市場正在不斷擴大,已經(jīng)從建筑物的輪廓照明,到景觀照明,發(fā)展到室內(nèi)照明,目前正向高大空間的工礦燈方向發(fā)展。小功率LED燈在照明領(lǐng)域的市場已經(jīng)打開,目前生產(chǎn)的小功率LED燈,已經(jīng)逐步開始進入辦公和家庭。產(chǎn)品的色溫可以從2700K到6500K,顯色指數(shù)在75~85,光效可以達到80lm/W以上,好的產(chǎn)品在顯色指數(shù)和光效這兩項指標上還可以做得更高。在產(chǎn)品競爭力上,我國LED照明產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品線布局比較完善,近年來,在關(guān)鍵的光效指標、熒光粉專利以及上游的SIC外延片和藍寶石晶片上都有所突破。另外,由于政府對LED照明產(chǎn)業(yè)給予了大力支持,短期內(nèi)政策利好因素不會消失。再加上由政府主導的路燈工程,使中國LED照明在通用照明領(lǐng)域發(fā)展迅速。在白熾燈逐步淘汰的大背景下,我國擁有巨大的國內(nèi)市場,致使不少傳統(tǒng)照明企業(yè)已經(jīng)開始向LED照明轉(zhuǎn)型。另外,由于有大量企業(yè)加盟LED照明產(chǎn)業(yè),伴隨著研發(fā)工作的進展,使得原來被國際幾大公司壟斷的LED價格被打破,LED照明成本逐年下降,為中國LED照明市場帶來了發(fā)展機遇。在發(fā)展進程中,我們也看到一些由于對LED照明產(chǎn)品技術(shù)指標不夠了解而造成選型不當?shù)默F(xiàn)象,諸如:在商品櫥窗照明中,為提高“亮度”標準,追求節(jié)能效果,選擇高色溫LED光源,同時造成電光源對人眼的直射,忽略了LED光源對人體健康的影響問題;在環(huán)境溫度較高的情況下,使用散熱能力不足的LED照明燈具,使得壽命縮短等問題。產(chǎn)生上述問題的原因是我們對LED照明這一新型電光源的特性還不夠了解,仍以傳統(tǒng)方式對待所造成的。因此有必要了解白光LED照明光源的發(fā)光機理、工作方式等問題,以正確使用LED照明光源。3led照明理論LED照明與原有的傳統(tǒng)照明方式有很大的區(qū)別,無論是發(fā)光形式還是選擇方式都與傳統(tǒng)照明有所不同,很多人不知道如何選擇。雖然伴隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展,部分照明燈系統(tǒng)的選擇方式已經(jīng)逐步接近于原有的傳統(tǒng)燈系統(tǒng)的選擇方式,但是,仍會有許多類型的LED燈系統(tǒng)與傳統(tǒng)燈系統(tǒng)不同,因此要用好LED照明,首先需要對LED照明光源的基本特性有所了解,這樣才能有助于更好地應用。LED照明技術(shù)問題主要涉及4個方面:LED半導體材料、LED結(jié)溫的散熱、電源驅(qū)動技術(shù)、燈具配光技術(shù)。3.1led照明特性目前使用的LED照明光源,絕大部分采用的是450nm左右的藍光激發(fā)YAG熒光粉而產(chǎn)生的白光。熒光粉的配比和顆粒大小是影響白光LED的關(guān)鍵材料,它同時決定了光譜特性,也影響到成品的色溫和光效。白光LED的光譜特性、顯色指數(shù)和光效與YAG熒光粉、驅(qū)動電流相關(guān),改變其中任意一項,都可以改變它的色溫,其光譜特性曲線也會發(fā)生變化。一般情況下,LED照明生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)時,按照所需色溫不同,選擇不同配比的YAG熒光粉,生產(chǎn)不同色溫的LED照明產(chǎn)品。色溫為3000K、4500K和6500K的白光LED光譜特性如圖4所示,這三份測試報告給出了LED的光譜特性曲線、CIE1931的色品坐標、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、光通量等光學參數(shù)。從圖中可以看出,450nm左右的藍光與550~600nm左右的綠-黃光相對輸出能量比例逐步提高,圖4(a)所示產(chǎn)品3000K色溫的顯色指數(shù)71.2,光效88.54lm/W;圖4(b)所示產(chǎn)品4500K色溫的顯色指數(shù)75.7,光效79.89lm/W;圖4(c)所示產(chǎn)品6500K色溫的顯色指數(shù)78.9,光效92.4lm/W。從這一組試驗產(chǎn)品測試情況看,顯色指數(shù)最高的為6500K色溫產(chǎn)品;光效最高的也為6500K產(chǎn)品。而顯色指數(shù)最低的為3000K色溫產(chǎn)品,光效最低的是4500K測試樣品。從這一組數(shù)據(jù)看,與經(jīng)驗值有所不同,按照以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù),色溫高的產(chǎn)品,光效應該也高,色溫低的產(chǎn)品光效應該相對較低。但是這一組測試參數(shù)則與通常的經(jīng)驗值有差異,說明LED光源的情況與傳統(tǒng)光源不同,熒光粉的顆粒粗細程度、電流驅(qū)動大小等都與光學參數(shù)相關(guān),每一細小的變化都會影響到最終參數(shù)。雖然這是一個特例,但是,這一情況說明了一個問題,即產(chǎn)品的質(zhì)量與價格的關(guān)系,LED照明產(chǎn)品的原材料質(zhì)量越高,其發(fā)光質(zhì)量也越高,但其價格成本也越高。為了進一步了解LED照明的特性,我們對部分照明用LED光源進行光輸出能量與色溫關(guān)系的分析,色溫的選定參照CIE1931色度圖標出的8個色溫點,分別為2700K白熾燈色(TungstenLight)、3000K暖白色(WarmWhite)、3500K白色(White)、4000K冷白色(CoolWhite)、4500K、5000K中性白色(MiddleWhite)、5700K、6500K日光色(Daylight)(其中4500K和5700K是目前較常用的白光LED光源色溫),每種色溫的LED抽取5個檢測樣本,共計40個。根據(jù)我們對這些不同色溫的LED照明測試樣本,得到光輸出能量與色溫的關(guān)系如圖5所示。從圖5我們可以看到,同樣功率的LED照明產(chǎn)品,隨著色溫的提高,光輸出能量也有所提高,雖然從散點圖看,2700~5000K段有所波動,但總體為逐步增加趨勢。由于被測樣本來自同一企業(yè),且并非同一批次產(chǎn)品,所以有所波動屬正常情況,這張圖同時也間接驗證了材料和其他因素對光效的影響。3.2結(jié)溫對led照明性能的影響由于LED的發(fā)光效率較高,幾乎不產(chǎn)生熱能,所以被人們俗稱為“冷光源”。但這并不意味著LED發(fā)光時不產(chǎn)生熱量,當電流通過LED的PN結(jié)時,同樣要產(chǎn)生熱量,這部分熱量不隨著所發(fā)出的光向外輻射,只聚積在PN結(jié)上,在專業(yè)術(shù)語上稱之為“結(jié)溫”。由于LED的PN結(jié)很小,工作時電流密度大,用于照明時,一盞LED照明燈往往需要多顆乃至數(shù)十顆、上百顆LED組合而成,這就導致LED芯片發(fā)熱高度集中,如果熱量不能很好地導出,就會導致熱量堆積,結(jié)溫上升。LED照明光源所產(chǎn)生的熱量雖然小于傳統(tǒng)光源所產(chǎn)生的熱量,但是仍然有很大一部分轉(zhuǎn)換為熱量,根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析20W以下的LED照明產(chǎn)品大約70%~75%的電功率轉(zhuǎn)換為熱能,對于大功率LED照明燈,大約70%的功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?并且發(fā)熱集中,導致PN結(jié)溫度急劇升高。發(fā)熱量與色溫的關(guān)系如圖6所示。結(jié)溫上升會導致光輸出減少,根據(jù)OSRAM等廠商提供的特性曲線,LED的結(jié)溫超過80℃,發(fā)光效率降至90%,長時間運行,會使芯片加速老化,縮短器件壽命。在發(fā)熱的同時,發(fā)光二極管的光譜隨著結(jié)溫的上升,向長波方向漂移,色溫發(fā)生變化,如圖6所示。如果考慮實際應用中結(jié)溫對色溫漂移的不良影響,散熱設(shè)計要對最高結(jié)溫進行限制。為了保證LED的使用壽命、光譜特性及光衰等,需要將LED的結(jié)溫控制在80℃以下。3.3led光衰的影響根據(jù)LED的電流、電壓特性曲線,一般應用條件下單顆LED電源正向電壓為3.0~3.6V左右。以單顆小功率LED為例,它的典型值電壓為3.3V,電流為20mA,當施加于LED兩端的正向電壓超過3.6V后,即使正向電壓只有很小的增量,LED的正向電流都有可能會成倍增長。由于電流的熱效應,會使LED的PN結(jié)溫度快速上升,從而加速LED光衰,使壽命縮短,嚴重時甚至燒壞LED。圖7為某型號藍光LED的伏安特性曲線,通過曲線可以看到,如果采用穩(wěn)壓電源供電,當施加在發(fā)光二極管兩端的電壓在3.0~3.6V波動時,它的電流波動范圍為12.5~35mA。假定該LED正常工作應為12.5mA@3V,驅(qū)動功率則為37.5mW。當電壓波動到3.6V時,它的工作電流便會升高到35mA,這樣功率就加大到了126mW,驅(qū)動功率提高了2.36倍,這不但對電源的過載能力要求高,而且會損壞LED,因此LED照明不能采用穩(wěn)壓電路供電,否則會造成LED的光衰加速或損毀。恒流驅(qū)動方式,是比較理想的LED驅(qū)動方式,能避免由于LED正向電壓的改變而引起電流變化。同時,恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定,減少了驅(qū)動功率的變化,因此眾多廠家選用恒流方式驅(qū)動LED。最理想的LED驅(qū)動方式是采用恒壓、恒流,但是這會導致驅(qū)動器的成本大幅度增加。3.4支架熒光燈的均勻度測試隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,白光LED照明產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)人員已經(jīng)將照明用大功率LED結(jié)構(gòu)(見圖8)進行了改進。通過一次配光產(chǎn)生一定的光束角,再根據(jù)LED光源一次配光所產(chǎn)生的光束,對燈具進行設(shè)計,進行二次配光,最終使光束角得以擴大。以國內(nèi)某照明生產(chǎn)企業(yè)的廣罩型大功率LED燈為例,經(jīng)過燈具的二次配光,其燈具的配光曲線也與傳統(tǒng)光源配光曲線不相上下,光束角已經(jīng)達到120°,基本滿足高大空間的LED照明要求。對于辦公常用照明光源,用LED支架熒光燈取代傳統(tǒng)支架熒光燈的案例已屢見不鮮。目前采用的方式是利用原有支架熒光燈具,取消鎮(zhèn)流器、改造電路后直接使用。這種方式可以降低成本,減少費用支出,但是在對光源要求較高的場合,照度的均勻度效果不夠理想。為了找出解決這一問題的方案,我們用傳統(tǒng)熒光燈和LED支架熒光燈進行照度的均勻度對比測試。測試時考慮到目前尚無針對支架熒光燈所設(shè)計的燈具,為保證測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,無論是傳統(tǒng)光源還是LED均采用簡易式燈具,測試結(jié)果如圖9所示。從圖9(a)曲線可以看出