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大功率LED有源温控系统的开发[1]

2014-5-27  来源:(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,哈尔滨 150001)  作者:刘世俊 刘思久   有5153人阅读

本文针对大功率 LED 驱动器散热的实际需要,提出并实现了一种 LED 有源温控系统的开发。并就系统的设计思想、结构特点和一些实施要点进行讨论,给出 TEC 制冷的原理,温度测量的方法,最后说明 LED 有源温控系统的具体配置方式并分析测试的数据结果,展示了有源温控系统准确性和可靠性。

  0 引言

  大功率 LED 的正向压降和电流都比较大,其消耗的功率也比较大。目前大功率白光 LED的电光转换效率约为 15%,剩余的 85%则转化为热能,而一般 LED 芯片尺寸仅为Φ2mm~Φ5mm,因此其功率密度很大。同时与传统的照明器件不同,白光 LED 的发光光谱基本属于可见光范围内,不包含红外部分,所以其热量不能依靠辐射释放,如果热量集中在尺寸很小的管芯内部而不能有效散出,就会导致芯片的温度升高,引起热应力的非均匀分布,同时芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明[1],当温度超过一定水平时器件的失效率将呈指数规律攀升,元件温度每上升 2℃,LED 可靠性将下降 10%左右。

  同时,当温度过高时白光 LED 器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明,在 100℃的温度下,波长可以红移 2~9nm。从而导致 YAG 荧光粉吸收率下降,总的发光强度会减少,白光色度变差,并且会严重影响 LED 的使用寿命。在室温附近,温度每升高1℃,LED 的发光强度会相应减少 1%左右,当器件从环境温度上升到 120℃时,亮度下降多达 35%。当多个 LED 密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更加严重,因此解决散热问题已成为功率型 LED 应用的先决条件,因此,如何提高散热能力是大功率 LED 实现产业化亟待解决的关键技术难题之一。

  1 有源温控LED 的开发

  目前几乎所有控制 LED 温度的方式都是通过增加散热面积,改善散热材料等被动方式散热,但是这种方法受环境温度和 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达到的要求。于是,这里提出了一种使用热电致冷器件 TEC 主动控制 LED 温度的方法。这种方法当然也要消耗能源来制冷,但在必要时则能强制 LED 管芯局部降温,从而仍可能有积极的作用。

  1.1 TEC 工作原理

  TEC 是利用热电致冷效应原理制成。所谓热电致冷效应,是指当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时,具有致冷制热的功能。半导体制冷是热电制冷的一种,即直流电通过半导体材料制成的 PN 结回路时,在 PN 结的接触面上有热电能量转换的特性,这种效应又称为帕尔贴效应。帕尔贴效应是法国物理学家帕尔贴(Pettier)在 1834 年发现的。

  两种不同导体联成的闭合回路,当在此环路中接入电源时,一个焊接点的温度降低为吸热端,另一个焊接点的温度升高为放热端。这种现象被称为热电制冷和制热。又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料,在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成,因此称为半导体制冷器[2]。

  当有外加直流电流 I 流过两种不同的金属组成的闭合回路时,在一个接头上会有热量 Q的吸收,而在另一个接头上会有热量 Q 放出,这种吸收或放出的热量称为帕尔贴热。帕尔贴热和通过该导体的电流关系为:

  

  式中π为帕尔贴系数,与材料的温差电动势率α和接头温度 T1有关,π=αT1。帕尔贴热只与两种导体的性质及接头的温度有关,而与导体其他部分的情况无关,且这种效应是可逆的。

  图 1 TEC 制冷制热原理

  半导体制冷器的基本致冷单元,是把 P 型半导体和 N 型半导体用金属连接片焊接起来组成的电偶,如图 1(a)所示。载流子通过结点时,必然与周围环境进行能量交换,能级的改变是现象的本质。N 型半导体有多余的电子,具有负温差电势,P 型半导体多数载流子子是空穴,电子不足,具有正温差电势,当电子从 P 型半导体穿过结点到 N 型半导体时,其能量必然增加,而且增加的能量相当于结点所消耗的能量,结点温度降低。相反,当电子从 N型半导体流至 P 型半导体时,结点的温度就升高。由于单个电偶产生的热效应较小,所以实际应用的半导体制冷器,是将多个这样的电偶对一起串联使用,如图 1(b)所示,这样才能够同时吸收或者释放更多的热量。通过改变 TEC 两端的电流流向就能够控制热量吸收和释放,同时控制电流的大小,就能控制 TEC 发热或者制冷的功率,从而实现对 LED 温度的控制。由于对于 LED 来说主要是控制其温度不能超过其允许范围,因此只需控制电流的大小而不必控制方向[3]。

  1.2 温度测量方法

  控制温度需要温度检测装置,这里采用热敏电阻元件做为温度的传感器,通过测量其电阻值的大小来判断温度的大小。这样希望温度控制在某个值就有了温度的给定,到温度执行机构,再到温度的检测作为反馈就构成了温度的闭环自动控制系统。

  温度信号首先要变成比较容易处理的电信号,这里采用温度传感器将温度信号转变为电信号。常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、RTD 和集成温度传感器。热敏电阻主要用于点温度、小温差的测量,远距离多点测量与控制,温度的补偿和电路的自动调节等。测温范围为-50℃~+450℃。与其它温度传感器相比,热敏电阻温度系数大、灵敏度高、响应迅速、测量线路简单,体积小、寿命长、价格便宜,由于本身电阻值很大,因此可以不考虑引线长度带来的误差,适于远距离的测量和控制[4]。

  热敏电阻的温度系数有正有负,大概可分为 NTC,PTC 和 CTR 三种。NTC 是一种具有负温度系数的热敏电阻,PTC 是正温度系数热敏电阻,CTR 是临界温度热敏电阻[37]。NTC主要用于温度测量和补偿。本课题采用的是 NTC 型热敏电阻。它的主要参数指标有标称电阻值 Rt、额定功率、电阻温度系数α、测量功率、时间常数、耗散系数、稳压范围等。

  一般而言,温度的测量由温度传感器和电桥两部分组成。本课题研究的 LED 温度的测量利用热敏电阻和差分输入电桥两部分组成。采用单电桥的测温电路如图 2 所示。

  图2 电桥测温原理图

  图中 RX为热敏电阻,UR为参考基准电压,要求参考电压输出必须精确稳定,一旦纹波过大则会影响电桥的测量精度。桥臂上其余电阻也采用高精度的精密电阻,以保证精确测量的需要。根据电路以及运算放大器的原理可以得到 UO与 UR的关系式[5]:

  

  通过电路仿真得到的 UO与 RX关系曲线如图 3 所示。图中 UR选取 5V,经过合理配置R1=1k、R2=R3,则当 RX大约在 0.33k~3k 之间变化时,UO输出在范围为 0V~5V。本论文中0V~5V 作为计算机信号代表 LED 的温度信号变化范围为-20℃~200℃。因此通过热敏电阻将温度信号反馈到 PIC 单片机的 AD,再通过单片机控制 TEC 的电流就可以形成 LED 的温度反馈控制。

  图3 UO与RX关系曲线图

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