大功率LED路灯散热技术获得重大突破

张志强

(北京绿时代光电科技有限公司，北京 100029)

LED以其高效、节能、长寿命、绿色环保等显著特点，被公认为当前最具发展前景的十大前沿技术之一，是21世纪全球最热门、最瞩目的新光源。随着国家对低碳、节能减排政策的不断推进，LED产业遇到了大好的发展时机。

目前，国内外LED产业发展迅猛，全球范围内正在迎来一轮推广普及高潮。但是，在其整个行业当中，成本和散热问题始终是困扰LED发展和普及的两大难题。其中大功率LED路灯的寿命除了电源和灯的本身质量以外，散热问题是最突出的重点。众所周知道路照明用LED灯具为了实现有效地照明，必须有较高的照度，而达到较高的照度，就必须增大产品的功率，增加功率势必增加热能，热量如果不能及时导散出去就必然导致光衰。相对来说，LED灯具本身质量再好，散热问题解决不好，性命难保，最终产生光衰造成死灯。因为LED的光衰和寿命与LED的工作温度高低有直接决定性的关系。LED路灯功率大、发热高、工作时间长，光衰问题在使用中就会显得十分突出。要做好大功率LED路灯，首先要做好灯具的散热设计，不解决好散热问题，LED就不能体现出长寿命的优势，LED如果不能实现长寿命的优势，一切优势都将付之一炬、无从谈起，从实质意义方面来讲控制光衰和保障长寿命比节能更重要。所以，做好大功率LED灯具的核心问题就是解决好散热和控制光衰，散热问题是大功率LED路灯必须重点解决的问题。

通常定义LED灯具的亮度衰减到达30%的时间作为其寿命，LED本身耐温性较差，它的光衰亮度是一个逐渐衰减的过程，而这个初始衰减的时间，除了和灯具本身的品质有关外，主要是和灯的接触温度有关。以台湾一款艾迪森LED灯具为例，其标称在温度45℃时，经过6.4万小时，亮度为初始时的70%;温度在65℃的时候，这个时间是3.4万小时;85℃时为1.9万小时;而接触温度为275℃时，这个时间是5秒。可见光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因，而降低光衰的一个重要方法就是改进和强化散热，如果灯具的散热设计不到位，LED芯片的结温就会过高，将导致芯片本身及封装树脂性能恶化，从而引起发光效率的降低和寿命的缩短。有效改善LED的散热问题是攻克大功率照明灯具的关键。

要想延长LED灯具的寿命，关键是要降低其结温，而降低结温的关键是要有一款好的散热器，使灯具始终工作在安全的温度范围内，能够及时的把LED产生的热散发出去。这个道理说来很简单，但在LED产业领域，散热问题始终是厂家最棘手和头疼的事，为了解决散热和光衰问题，国内很多企业穷尽心机。在近两年国内LED路灯多处死灯的案例中，虽然大家都意识到光衰是大功率LED路灯不能长期工作的原因，也开始认识到降低光衰的一个重要方法就是改进散热，尽管如此从国家半导体产业联盟在深圳组织的27家规模企业大功率LED灯具产品测试结果来看，1200小时亮灯后的光衰，最好的为8%，最差的为26%，平均为14%。多数厂家路灯的光衰仍然是不能满足使用要求的。笔者认为在散热、温度、重量和成本各个因素当中，每个问题都不是孤立的，而是相互影响、相互制约、又是相互飘移的指标。特别是路灯的散热技术和路灯的重量一度成为技术上一个难以解决的矛盾。而很多厂家都在寻找合适的散热方式，但实际运用当中常常是问题迭出，温度的控制和路灯的重量及成本很难理想优化。道路照明LED对防水、防尘、防锈有着特别高的要求，需要有较高的防护等级，按照常规的思路，要使LED路灯能长期在户外工作，最好的方案就是密封，然而密封和散热又是一个特别突出的矛盾，密封会导致散热受阻，那么反过来说防护问题解决不好，不但电路的安全和可靠性无法保证，自然环境的变化无常将迅速导致整个灯具产品快速报废。

然而LED这个行业的性质决定了只能成功不许失败，LED发展到现阶段可以说应该是稳定压倒一切，尽可能控制光衰，避免死灯，才能让它产生好的经济效益和社会效益。要想做到有效的散热，减小灯具的体积、重量和成本，灯具就必须有合理的散热结构。实际上任何一种散热方式最终的散热媒介都是空气，问题是怎样合理的把发光管产生的热量传导到散热面上，怎样增大散热壳体和空气的接触面，并有利于空气在散热表面的合理流动，就是灯体结构设计要解决的问题。

目前，市场上的LED路灯有两种，多颗小功率LED组合式路灯和大功率多晶集成封装式LED路灯，多颗星小功率LED组合路灯虽然容易解决散热，但视觉效果差，光衰强，所用LED数量多，安装成本高，满天星形成影子重叠，容易造成司机视觉疲劳或眼花，电路不易调光，且灯具电路系统复杂，灯具电路端口多，可靠性降低，容易损坏，光电转换效率在85%左右，相对较低。大功率LED路灯是指功率在30W以上的多晶集成封装的LED灯具，在城市照明领域，LED采用大功率是一种趋势，大功率多晶集成封装式LED路灯亮度高，视觉效果好，有反光杯的遮挡可以避免眼睛直射强光点，在光色和照明质量上大功率LED光源表现出独特的优势，同一个灯具不会出现光色不均匀的现象，光源反射出的光在照射平面内均匀透彻，具有很好的视觉舒适性，不会出现困扰组合式灯具的重影现象，驱动电源端口少，可靠性强，线路布置在光源内不会出现电磁干扰，可以方便的实现无机调光功能，光电转换效率可高达95%以上。但是大功率多晶集成封装式LED发热量大，热量集中，对散热的要求较高，如果不能有效地解决好散热问题，大功率LED路灯就寿命难保，面对诱人的LED市场，不少先行者铩羽而归的例子就说明了这一点，散热问题是困扰大功率LED灯具发展和普及的行业性难题。正如国内历届光电产品展销会上的一句口头语:就是大功率LED“谁做谁死”。所以会展上很少出现成功亮相的大功率LED灯具。目前国内LED主流厂家大都选择了多颗小功率LED组合路灯就是这个原因，生产大功率集成式路灯的厂家在国内外只有屈指可数的几个厂家。

据笔者多年来对该领域的考察，在大功率LED灯具散热结构设计方面，不少厂家侥幸迎合传统的灯具外形，路灯散热方式采用传统路灯的散热方式，实际上是起到了一个均温均热作用，将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳当中，虽然解决了灯具的防护问题，外观也很传统，很顺眼，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，导致LED和驱动电路在极恶劣的环境中工作，工作温度会产生积累升高，LED随着温度的升高功能劣化而出现光衰。驱动器也因温度超标而损毁，大大降低了灯具的可靠性和使用寿命，要做好LED路灯，简单的死守传统的灯型装配LED光源显然是行不通的。

在LED路灯的散热设计当中，也有不少厂家采用铝合金型材组合，将LED焊接在铝基板上制作成模块，在模块底部涂抹导热硅脂，用螺丝固定于铝合金型材散热器上，罩上光源外罩完成设计制作，这种设计虽然散热方式有所改善，但灯具的重量过大，散热器的表面温度分布不均匀，形成明显的温度梯度，由于整个路灯是由多个部分连接而成，产品一致性差，在防水渗水安全方面是极不可靠的，而且所有的单颗LED均安装在一个平板上，无法对灯具进行配光，路灯的照明半径无法满足路灯的照明范围。尘土、树叶、鸟粪等长期在上面的积聚会使路灯失去散热能力而过早出现光衰。更重要的是，散热部分设置在一个平板上，虽然裸露的型材可以使热量辐射或漂浮得到改善，缺乏通透性的散热方式使空气在散热表面的合理流动受到限制，使散热效果大打折扣，好多大功率LED路灯散热的致命弱点都集中体现在这一点上。

大功率LED要解决好散热问题，灯具必须有一个合理的散热结构，有一款好的散热器，，在保证产品的密封性能和防护等级的前提下又要保证良好的热传导、对流和发散。一款性能优秀的散热器应满足三个要求:吸热快，热阻小，去热快。实现散热好，重量轻，成本低。

热管散热应当是所有散热方式中热量导散效率较高的，但由于热管散热器的方向性方位局限和LED灯具的结构特殊性，使热管散热在LED散热方面结构很难成型，不但外观难看，而且成本高。且存在防水、防尘等防护问题。

在研究和生产大功率LED路灯的实践过程当中，我们北京绿时代光电科技有限公司总结了使用当中的各种经验，吸取众多厂家的教训，经过长时期的实验研究攻关，有效解决了路灯的散热、成本和重量的难题。困扰大功率LED路灯的散热问题得到突破，为大功率LED路灯的推广和应用带来了希望。为了满足不同客户的选择需要，我们设计了两种不同的散热形式，一种形式是散热材质的调整组合和合理的优化设计成型的多维结构散热;另一种形式是利用高性能导热的热管散热器，经国家光电质量监督检验测试中心检测，实现亮灯后3000小时零光衰，其性能具行业之首。结果亮相后，引起同行业的极大关注，也让权威机构专家感到惊讶。目前国内两家规模LED生产厂家正在通过有关部门与公司沟通，积极寻求这项技术与产品。两个关键性指标，其一:PN结与环境温度差仅为16度。其二:路灯重量与功率之比为0.0617克/W。这两个关键性指标在自然对流工况下同步达标。由于散热问题得到解决，路灯的亮度成倍增长，同样光源功率的LED路灯亮度与同行业同规格路灯测试比对提高一倍左右。经国家光电产品检测检验测试中心对产品的检测结果，实现3000小时零光衰，达到和超过国家LED产业研发联盟3000小时光衰4%规范标准。2010年重现同样权威机构检测打破6000小时零光衰的记录，在2011年2月11日绿时代LED路灯更是实现10000小时零光衰的检测报告，其各项性能指标均居国内外同行业之首。产品的散热器体积小、重量轻，方向性好，120W路灯的整体重量只有6.8公斤，240W路灯的整体重量只有8.5公斤。是同行业内重量最低的。这种散热器适合任何一种灯型，不受任何功率、任何方位和角度的限制。实现了在25℃环境下，光源功率60W的多晶集成封装式LED路灯，芯片最高温度只有38℃;光源功率120W的多晶集成封装式LED路灯芯片基板温度只有41℃，高效率的导热材料和结构设计决定了高可靠性，散热器材料成本低廉，制作方便，性能可靠，耐各种恶劣条件，制作功效高，可形成量产规模。散热与防护中的防水、防尘问题同时得到彻底解决，不仅适合于大功率路灯、信号灯、隧道灯、景观灯，以及机车、地铁、广场、公园等场所，还适用于游泳馆、海洋馆等水下环境，此项技术产品若是广泛推广和应用后将可以产生巨大的经济效益和社会效益。