LED在道路照明的散热与配光应用
编者按：近些年来，随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步，LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高，LED已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。
一、立项的背景和意义
LED(Light Emitting Diode，称发光二极管)，属于固态光源。LED的应用已有较悠久的历史，以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来，随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步，LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高，LED已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。
LED发光原理为固体发光,按固体发光物理学原理，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高达90%以上，因此，LED被誉为21世纪新光源，即将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，被公认为当前十大前沿技术之一, LED光源这种新型照明光源必将会取代传统照明光源，正带动着一场新的产业革命---照明革命。
二、当前国内外同类研究(技术)概况
近几年，随着LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，其在照明领域的发展前景，吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。
我国2001年863计划立项，2003年紧急启动了“国家半导体照明工程”。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。当前，我国经济快速增长，能源紧张的矛盾日益显现，我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，因此提高照明产品的能效水平，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。国家将贯彻节能优先政策，并将“照明器具”列入节能重点领域，在“十一五”期间，大力推进绿色节能照明工程，LED路灯就是LED技术的重要节能应用。
日前，由多名留美归国博士创建的中微光电子(潍坊)有限公司研制成功100瓦大功率半导体发光二极管路灯照明系统，现已应用于潍坊高新技术创业园，其照明范围和亮度完全达到国家道路照明标准，寿命是传统路灯的10~20倍，耗电量却不到传统路灯的20%。
三、本课题研究的内容
我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯，但很多是用小功率LED阵列作发光体，散热问题解决了，所用LED数量要很多，小功率LED光衰强，安装成本高;城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势，少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时，LED的散热问题;LED的散光和聚光控制问题;路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题;光电转换效率太低，每瓦只有几个流明等问题。因此产品性能还不尽如人意;高性能的产品价位又居高不下，难以推广普及。
四、研究的技术路线和方法
(一)光源的选择：
光源比较：传统照明光源主要有3大类：白炽灯、荧光灯和稀有气体放电灯。与这些光源相比，LED光源光效比较高，使用寿命长，采用安全电压供电，不含有毒重金属，，使用寿命长，采用安全电压供电，不含有毒重金属，显色指数高，而且属于新型光源，发展潜力巨大，是未来传统光源理想的替代品。表1为几种照明光源的性能比较。
表1 几种照明光源的性能指标
注：白炽灯发光效率为3O w的数据
散热是LED路灯要重点解决的问题。LED是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，但是，LED本身耐温能力比较差，所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去，保证芯片工作在安全的温度环境下，这样LED灯才能真正的体现出长寿命的优势。
LED的管芯和涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐温能力。但是，LED的外壳和管芯之间存在热阻，这个热阻使LED在使用时外壳和管芯之间出现温差，管芯的温度会高于外壳温度。
由于发光管生产技术的进步，大功率发光管内部的热阻越来越低，目前1瓦的发光管的热阻普遍在15度/瓦以下，也就是说，给1瓦的发光管加1瓦的电功率，管芯比管壳的温度只高15度。按照目前发光管管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150度就能长期安全的工作。这样推算，外壳温度135度时可以安全使用。但是，由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过70度，这样管芯温度只有85度，发光管的透明封装材料也不会快速老化。长期稳定工作没有问题。因此，没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低，但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻，这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。
要有效的散热，减小灯的体积和生产成本，灯体必须有合理的散热结构。问题是怎样合理的把发光管产生的热量传导到外壳上，怎样有效的增大外壳和空气的接触面，并且有利于空气在外壳表面上的流动，就是灯体热结构设计要解决的问题。
(二)灯具结构设计研究：
1.灯具结构：
a.组成结构：我们的LED路灯由铝合金压铸灯体，LED模块，钢化玻璃透光罩，AC/DC恒流驱动器，电器室盖板五部分组成。见下图：
b.功能结构：散热灯体，光源室，电器室三部分组成。见下图：
2.散热研究：
要做好LED路灯首先要做好灯具的散热，然而散热和灯具的安全防护又是一个矛盾，针对这对需要共生的矛盾我们做如下研究：
a.LED加散热板与灯具防护研究：利用铝合金型材组合的路灯，我们将一块AA6063;305mm×500mm的平板散热器型材和不锈钢外框组合，将LED焊接在铝基板上制作成模块，在模块的底部涂抹导热膏用螺丝固定于铝合金型材散热器平板上，罩上PC光源外罩，连接驱动电源，完成LED路灯的设计制作。
该款路灯的热传导和散热效果均佳，能将LED所产生的热量迅速的传导到散热器上，再由裸露在空气中的散热鳍片散发到空气中，由流动的空气带走热量，但是由于整个灯具是由多个部分连接组合而成，产品一致性差，在防渗水安全上仅靠防水胶是极不可靠的，所以在防护等级上达不到(GB7000.1-2002;GB7000.5-2005)的要求。更主要的是所有的LED均安装在一个平板上，无法对灯具进行合理的配光，在实际使用中该款路灯的照明半径无法满足路灯的照明范围，而且外观呆板，故本方案不成熟不宜采用。见下图：
b.传统灯壳改制的LED路灯存在的问题：利用传统路灯灯头改制的LED路灯，虽然采用了铝型材做散热器，将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳中，虽然解决了灯具的防护等级问题，但是整个光源是在密闭的灯壳中，灯具工作中所产生的热量无法散发到空气中带走，导致LED模块和驱动电路在极恶劣的环境中工作，工作温度急剧升高，LED随着温度的升高而出现死灯和光衰，驱动器也因温度超过而烧毁，大大降低了灯具的可靠性和使用寿命。故此方案是不成熟的。要做好LED路灯简单的用传统灯头装入LED光源是行不通的。见下图：
以上两个方案都是无法同时满足散热与防护问题而失败，为此我们进行下列的进一步研究。散热问题与产品的防护等级是一个矛盾，这是一个行业性的难题，项目产品在不降低产品的密封性和防护等级的前提下，又要保证良好的热传导，对流，发散，我们进行了如下的研究：
c.散热材料的选择：为了做好LED路灯，首先我们对散热材料进行选择，目前散热器所采用的基本为金属材料，这主要出于三方面的考虑：
①导热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力;
②易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺;
③易获取——虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉;依此确定了散热片所用材料类型，具体种类的确定同样需以此为标准。下表为散热片惯用材料与常见金属材料的热传导系数。
上表中热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K=1℃)时的热传导功率。
热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作高性能散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件，在散热片中使用较少。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，为此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。