大功率LED有源溫控系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：由于大功率LED供電時(shí)其大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果熱量不能有效散出，將嚴(yán)重影響其光照亮度及其使用壽命。為了大功率LED散熱的實(shí)際需要，提出并實(shí)現(xiàn)了一種LED有源溫控系統(tǒng)的開發(fā)，采用熱電制冷效應(yīng)，使用LED驅(qū)動(dòng)器本身作為制冷器的驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)建立基于半導(dǎo)體傳感器的溫控監(jiān)測電路，通過內(nèi)部數(shù)字PI調(diào)節(jié)器形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后獲得LED有源溫控系統(tǒng)的具體配置方式，并分析測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了有源溫控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
關(guān)鍵詞：電力電子；有源溫控；電橋；LED

0 引言
大功率LED的正向壓降和電流都比較大，其消耗的功率也比較大。目前大功率白光LED的電光轉(zhuǎn)換效率約為15％，剩余的85％則轉(zhuǎn)化為熱能，而一般LED芯片尺寸僅為φ2～φ5 mm，因此其功率密度很大。同時(shí)與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜基本屬于可見光范圍內(nèi)，不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放，如果熱量集中在尺寸很小的管芯內(nèi)部而不能有效散出，就會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，同時(shí)芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過一定水平時(shí)器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度每上升2℃，LED可靠性將下降10％左右。
同時(shí)，當(dāng)溫度過高時(shí)白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，在100℃的溫度下，波長可以紅移2～9 nm。從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差，并且會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少1％左右，當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到120℃時(shí)，亮度下降多達(dá)35％。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問題更加嚴(yán)重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件，因此，如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

1 有源溫控LED的開發(fā)
目前幾乎所有控制LED溫度的方式都是通過增加散熱面積，改善散熱材料等被動(dòng)方式散熱，但是這種方法受環(huán)境溫度和LED功率大小限制，其作用效果有限，并且可控性很差，因此改善效果往往不能達(dá)到的要求。于是，這里提出了一種使用熱電致冷器件TEC主動(dòng)控制LED溫度的方法。這種方法當(dāng)然也要消耗能源來制冷，但在必要時(shí)則能強(qiáng)制LED管芯局部降溫，從而仍可能有積極的作用。
1．1 TEC工作原理
TEC是利用熱電致冷效應(yīng)原理制成。所謂熱電致冷效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過具有熱電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，具有致冷制熱的功能。半導(dǎo)體制冷是熱電制冷的一種，即直流電通過半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)回路時(shí)，在PN結(jié)的接觸面上有熱電能量轉(zhuǎn)換的特性，這種效應(yīng)又稱為帕爾貼效應(yīng)。帕爾貼效應(yīng)是法國物理學(xué)家帕爾貼(Petter)在1834年發(fā)現(xiàn)的。兩種不同導(dǎo)體聯(lián)成的閉合回路，當(dāng)在此環(huán)路中接入電源時(shí)，一個(gè)焊接點(diǎn)的溫度降低為吸熱端；另一個(gè)焊接點(diǎn)的溫度升高為放熱端。這種現(xiàn)象被稱為熱電制冷和制熱。又由于半導(dǎo)體材料是一種較好的熱電能量轉(zhuǎn)換材料，在國際上熱電制冷器件普遍采用半導(dǎo)體材料制成，因此稱為半導(dǎo)體制冷器。
當(dāng)有外加直流電流I流過2種不同的金屬組成的閉合回路時(shí)，在一個(gè)接頭上會(huì)有熱量Q的吸收，而在另一個(gè)接頭上會(huì)有熱量Q放出，這種吸收或放出的熱量稱為帕爾貼熱。帕爾貼熱和通過該導(dǎo)體的電流關(guān)系為：
Q=πI (1)
式中：π為帕爾貼系數(shù)，與材料的溫差電動(dòng)勢率α和接頭溫度T1有關(guān)，π=αT1。帕爾貼熱只與2種導(dǎo)體的性質(zhì)及接頭的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體其他部分的情況無關(guān)，且這種效應(yīng)是可逆的。