高效無(wú)金屬散熱器LED照明燈節能技術(shù)解析

使用壽命。

　　我們可以用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI，還可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光條，而無(wú)需用發(fā)光粉。所述芯片也可以是芯片基板背鍍反射膜的或不透明的芯片，所制成的LED發(fā)光條仍為4π出光，但其光效將比芯片基板是透明的要低。所述芯片還可以用倒裝LED芯片，倒裝在印有電連接線(xiàn)的透明基板上制成發(fā)光條，還可用一個(gè)芯片上有多個(gè)PN結的高壓LED芯片(HVLED)制作發(fā)光條，以減少芯片之間的電連接線(xiàn)，提高成品率和生產(chǎn)效率。

　　這類(lèi)LED燈絲燈的光效要比現有用≤2π出光的LED元件制成的球泡燈高30%以上，而且無(wú)金屬散熱器，可節省大量鋁，更環(huán)保，重量輕，目前已經(jīng)開(kāi)始被市場(chǎng)接受，批量生產(chǎn)。

　　然而，也有人擔心它的使用壽命難以達到30000小時(shí)或以上，難以制成輸出光通量高于800 lm的大功率LED燈。下文會(huì )對此分別敘述。

　　三、壽命分析

　　LED燈壽命主要取決于LED PN結的工作溫度和發(fā)光粉的光衰。

　　圖4所示為目前常用的GaN LED的不同PN結溫的光通量衰減圖，圖中標有不同結溫時(shí)的L70壽命。由圖可見(jiàn)，若結溫<85℃，L70壽命可達30000小時(shí)以上。LED PN結的溫度不容易測量，用主波峰的位移、結電壓變化、紅外成像儀、發(fā)光效率的變化等可以估計PN結的結溫。

　　圖5所示為相對光通量和結溫的關(guān)系，由圖5可見(jiàn)，在恒定LED輸入功率的條件下，穩定光通量比冷態(tài)光通量下降10%時(shí)的結溫為75～85℃。恒定功率條件下光通量的變化，即相對光效的變化。因此我們可以測量燈的初始光效和熱穩定后相同輸入功率的穩定光效之比來(lái)估計LED燈穩定工作時(shí)PN結的結溫，若此穩定光效和初始光效之比≥0.9，由圖4和5可見(jiàn)、燈的壽命估計可達30000小時(shí)以上。當然，同時(shí)還要計及發(fā)光粉的光衰和其它因數；最后還需要以實(shí)際測量來(lái)確定?！　∫簿褪钦f(shuō)，LED燈絲燈的設計，應該滿(mǎn)足穩定光效和初始光效之比≥0.9的條件，LED燈絲燈才可能有30000小時(shí)以上的使用壽命。

　　我們的壽命試驗的實(shí)驗結果如圖6所示，該實(shí)驗結果是14個(gè)穩定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED燈絲燈壽命測試的平均值(Lr)。圖中虛線(xiàn)為能源之星35000小時(shí)壽命的光衰曲線(xiàn)，其中1000小時(shí)被定義為初始值(100%)。由圖6可見(jiàn)，所述LED燈絲燈的L70壽命有可能達到30000小時(shí)以上。

　　現在我們再來(lái)看一看燈泡中充高導熱率低粘滯系數氣體的重要性。圖7所示為同一個(gè)3.9W的LED燈絲燈，在充有室溫下近一個(gè)大氣壓的氦氣和折斷排氣管放入空氣后，在相同輸入功率條件下，光效隨時(shí)間的變化。圖中上面一條曲線(xiàn)為充有氦的測試結果，下面一條曲線(xiàn)為相同測試條件下，放入空氣后的測試結果。由圖可見(jiàn)，在充有氦氣時(shí)，穩定光效與初始光效之比>0.9，對照圖4和5、其PN結的結溫<85℃，預計壽命可大于30000小時(shí)。

　　然而一旦放入空氣，不僅其穩定光效降低了19%，其穩定光效與初始光效之比下降到<0.75，對照圖5，其PN結的結溫>150℃！ 顯然已經(jīng)難以正常工作了。這里可以明顯看到充高導熱率、低粘滯系數氣體的重要性，也說(shuō)明了充空氣的LED燈絲燈發(fā)光效率低、光通量小的原因。

　　此外，假設LED燈泡壽命長(cháng)達30000小時(shí)，若以每天工作3小時(shí)計，長(cháng)達20多年的工作期間保持泡殼內氣體的純度，泡殼必須真空密封，用現有的有機或無(wú)機膠密封都不可能長(cháng)時(shí)間保持其氣體的純度。真空密封還可以完全隔離周?chē)h(huán)境對LED元件的影響，LED可以在完全沒(méi)有周?chē)諝庵械乃?、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影響下工作，更有可能使用壽命長(cháng)達20年以上?！　?strong style="word-break: break-all; ">四、陶瓷管LED燈分析

　　此前，有人預言、LED燈絲燈只能制造500 lm以下的小功率燈。這樣的預言不是沒(méi)有道理，因為由LED燈絲(發(fā)光條)組裝而成的燈絲燈，由于受到LED燈絲與散熱氣體接觸面積小、散熱面積小、熱阻大的限制，單燈的輸出光通量確實(shí)難以做到>800 lm。

　　而半導體照明的目標是要替代10～150W通用的白熾燈和與它相當光通量的熒光節能燈。實(shí)際上也只有這樣，半導體照明才能成為通用照明的主流。參照美國能源之星，40W、60W、75W、100W、150W白熾燈的初始輸出光通量分別為450、800、1100、1600和2600 lm。

　　如何制成光通量為800～2600 lm的大功率無(wú)金屬散熱器LED照明燈？其關(guān)鍵在于：在保持LED 4π出光、高效率、低發(fā)熱的基礎上，進(jìn)一步提高LED的散熱面積，減小LED PN結到燈周?chē)峥諝獾臒嶙韬瓦M(jìn)一步提高泡殼的散熱能力。

　　銳迪生解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)方案是：把LED發(fā)光條或LED芯片直接緊貼在一個(gè)高導熱率的透明管的外壁上，所述透明管，例如為透明陶瓷管、石英管、藍寶石管等，透明陶瓷管具有高達23 W/(m·K)的導熱率、高達95%以上的總透光率，其導熱率接近芯片基板藍寶石，它的內、外表面都與散熱氣體接觸和散熱，大大增加了LED的散熱面積、降低了LED芯片PN結到散熱氣體的熱阻。

　　圖8所示為用上述透明陶瓷管LED發(fā)光柱制成的A19 LED燈泡的示意圖。如圖所示，LED發(fā)光條被固定在一個(gè)透明陶瓷管的外表面上，泡殼芯柱上的玻璃柱上端有一彈簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端與芯柱的引出線(xiàn)連接并固定，芯柱引出線(xiàn)與燈的驅動(dòng)器輸出連接，驅動(dòng)器的輸入與燈頭連接，燈頭用于連接外電源，接通外電源即可點(diǎn)亮LED燈。

　　圖9和10為兩種不同結構的LED發(fā)光柱的截面示意圖。圖9為L(cháng)ED發(fā)光條粘貼在透明陶瓷管外表面的LED發(fā)光柱的示意圖。圖10為L(cháng)ED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED發(fā)光柱的示意圖。

　　如圖9所示，至少一條LED發(fā)光條被用透明膠固定在透明陶瓷管外表面上，圖中是有4條發(fā)光條的例子。透明陶瓷管上有供安裝發(fā)光條的平面，各發(fā)光條相互串聯(lián)或串并聯(lián)。

　　圖10為L(cháng)ED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明膠固定在預先涂覆有發(fā)光粉層的陶瓷管平面上，也可用混合有發(fā)光粉的固晶膠固定在透明陶瓷管的平面上。

　　圖10所示為L(cháng)ED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一發(fā)光粉層上的例子，LED芯片上覆蓋有第二發(fā)光粉層。LED芯片經(jīng)一薄發(fā)光粉層被直接固定在高導熱率陶瓷管上，其間沒(méi)有透明基板，僅有一薄層粉膠，芯片的藍寶石基板基本上直接與陶瓷管接觸，熱阻很小，進(jìn)一步降低了LED的PN結與散熱氣體之間的熱阻，即可降低PN結的工作溫度，可提高LED芯片的工作電流和功率，提高輸出光通量。同時(shí)，還可以用較大功率的中功率LED芯片，以減少LED發(fā)光條的數量和LED芯片的數量，減少固晶和打線(xiàn)數，提高生產(chǎn)效率、成品率和可靠性，必要時(shí)還可打雙線(xiàn)、以進(jìn)一步提高可靠性?！　∪鐖D9和10所示的把發(fā)光條或芯片直接固定在高導熱率管上，還可保持各發(fā)光條和各芯片基本上處于相同的工作溫度，從而可降低因個(gè)別芯片溫升過(guò)高而導致整燈失效的幾率，以提高燈的可靠性。

　　圖9和10所示的LED發(fā)光柱的結構還可有多種變換，例如，用不同結構的發(fā)光條；LED芯片可以是有背鍍反射膜的或不透明的芯片；LED芯片可用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI；也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光柱，而無(wú)需用發(fā)光粉；也可用倒裝LED芯片；還可用HVLED芯片；發(fā)光粉也可被涂布在燈泡的泡殼內壁上等。

　　用上述方法可有效提高單燈的燈功率和輸出光通量。但整燈的最后散熱仍取決于泡殼與周?chē)諝獾臒峤粨Q，LED發(fā)光柱位于泡殼的中央，泡殼與周?chē)諝獾慕佑|面積有限，即使用直徑較大的陶瓷管，也難以制成更大輸出光通量的LED通用照明燈。

　　五、 大功率多管燈分析

　　銳迪生用多管燈方案突破了瓶頸，使800～1600lm和更高流明的無(wú)金屬散熱器LED照明燈得以實(shí)現。這類(lèi)多管燈相當于把單燈的泡殼劈開(kāi)，分成幾個(gè)，各燈管之間有讓空氣自由流動(dòng)的間隙，容易形成空氣對流，使各燈管都可有效散熱，大大增加了燈管與周?chē)諝獾臒峤粨Q散熱能力，從而可提高燈功率和輸出光通量。

　　多管燈的散熱方案可稱(chēng)為管內氣體對流散熱和各燈管之間空氣對流散熱的雙重對流散熱技術(shù)，能制成體積小、輸出光通量更高的無(wú)金屬散熱器的LED通用照明燈。目前已經(jīng)研制成了光通量為800～1600 lm的多管陶瓷管LED燈和光通量高達4000 lm的實(shí)驗樣燈。

　　圖11所示為一個(gè)輸出光通量為1600 lm 的4管LED燈的例子。其每一燈管各自真空密封并充有高導熱率、低粘滯系數的散熱保護氣體，每個(gè)燈管內各有一個(gè)透明陶瓷管LED發(fā)光柱；各LED燈管各自恒流或限流驅動(dòng)，可避免各燈管因LED電流與溫度正反饋引起的光衰不一致的問(wèn)題，保證各燈管光衰一致和長(cháng)使用壽命。

　　現已制成2管、3管和4管T5的大功率LED燈。其5000K色溫的多管燈的典型參數為：

　　2管燈：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：40mm，重量：58g；

　　3管燈：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI：82；燈高：110mm，最大直徑：48mm，重量：64g；

　　4管燈：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：52mm，重量：70g；

可見(jiàn)，6.4W 2管燈相當于60W白熾燈；12.2W 4管燈相當于100W白熾燈。整燈光效都在130lm/W以上，無(wú)金屬散熱器，體積小，重量輕。銳迪生的多管燈容