大功率LED有源溫控系統的開發

摘要：由于大功率LED供電時其大部分能量轉化為熱能，如果熱量不能有效散出，將嚴重影響其光照亮度及其使用壽命。為了大功率LED散熱的實際需要，提出并實現了一種LED有源溫控系統的開發，采用熱電制冷效應，使用LED驅動器本身作為制冷器的驅動電源，同時建立基于半導體傳感器的溫控監測電路，通過內部數字PI調節器形成一個完整的閉環控制系統，最后獲得LED有源溫控系統的具體配置方式，并分析測試的數據結果，展示了有源溫控系統的準確性和可靠性。
關鍵詞：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的電光轉換效率約為15％，剩余的85％則轉化為熱能，而一般LED芯片尺寸僅為φ2～φ5 mm，因此其功率密度很大。同時與傳統的照明器件不同，白光LED的發光光譜基本屬于可見光范圍內，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部而不能有效散出，就會導致芯片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分布，同時芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定水平時器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2℃，LED可靠性將下降10％左右。
同時，當溫度過高時白光LED器件的發光波長將發生紅移。據統計資料表明，在100℃的溫度下，波長可以紅移2～9 nm。從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差，并且會嚴重影響LED的使用壽命。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應減少1％左右，當器件從環境溫度上升到120℃時，亮度下降多達35％。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更加嚴重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件，因此，如何提高散熱能力是大功率LED實現產業化亟待解決的關鍵技術難題之一。

1 有源溫控LED的開發
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方式散熱，但是這種方法受環境溫度和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到的要求。于是，這里提出了一種使用熱電致冷器件TEC主動控制LED溫度的方法。這種方法當然也要消耗能源來制冷，但在必要時則能強制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原理制成。所謂熱電致冷效應，是指當直流電流通過具有熱電轉換特性的導體組成的回路時，具有致冷制熱的功能。半導體制冷是熱電制冷的一種，即直流電通過半導體材料制成的PN結回路時，在PN結的接觸面上有熱電能量轉換的特性，這種效應又稱為帕爾貼效應。帕爾貼效應是法國物理學家帕爾貼(Petter)在1834年發現的。兩種不同導體聯成的閉合回路，當在此環路中接入電源時，一個焊接點的溫度降低為吸熱端；另一個焊接點的溫度升高為放熱端。這種現象被稱為熱電制冷和制熱。又由于半導體材料是一種較好的熱電能量轉換材料，在國際上熱電制冷器件普遍采用半導體材料制成，因此稱為半導體制冷器。
當有外加直流電流I流過2種不同的金屬組成的閉合回路時，在一個接頭上會有熱量Q的吸收，而在另一個接頭上會有熱量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體的電流關系為：
Q=πI (1)
式中：π為帕爾貼系數，與材料的溫差電動勢率α和接頭溫度T1有關，π=αT1。帕爾貼熱只與2種導體的性質及接頭的溫度有關，而與導體其他部分的情況無關，且這種效應是可逆的。