基于热电分离式理念的LED车灯光源的开发

2018-11-23秦典成陈爱兵肖永龙

照明工程学报 2018年5期

秦典成，陈爱兵，肖永龙

(乐健科技(珠海)有限公司，广东省LED封装散热基板工程技术研究中心，广东珠海 519180)

引言

随着节能环保的绿色生态理念日益深入人心，作为新一代光源的LED，以其绿色环保、能耗低、响应快速、性能稳定、使用寿命长等优点而受到各国政府的高度重视，成为了照明光源的理想选择[1，2]。同时，LED也凭借其自身的诸多优点迅速在各个行业领域中获得广泛应用，汽车行业便是其中之一。

近年来，随着汽车工业的迅猛发展，人们对汽车灯具提出了美观化、节能化与智能化的综合要求。自汽车灯问世以来，大致经历了乙炔灯、白炽灯、卤素灯、疝气灯及LED灯等五个发展过程，其中卤素灯通过在充气的白炽灯中加入了卤素而制成，以构造简单、成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好等优点成为目前应用最为广泛的车灯光源。卤素灯的原理是依靠钨丝发光，同时利用卤循环原理，在灯管里面加入卤元素以降低钨丝的氧化速度。而LED车灯光源则是利用LED作为光源制作而成，与传统的车灯光源相对比，具有使用寿命长、体积小、耗能低、响应快、设计灵活及品位高等一系列优点，不仅可最大限度地提高LED灯具的封装密度，而且因其颜色识别度较高，可为驾驶人员提供舒适的视觉体验，正逐渐成为世界各主要发达国家所争相研究的热点[3-5]。

在LED替换传统车灯光源的进程中，其散热问题成为了不容忽视的技术瓶颈[6，7]。良好的散热管理可使LED车灯光源的结温得到大幅下降，改善其光电性能，从而达到增强其性能稳定性并延长其使用寿命之目的[8，9]。本文基于热电分离式设计理念，开发出一种具备良好散热性能的LED车灯光源。并通过对卤素灯与LED灯的光、电、热性能进行对比研究，定量说明LED灯在汽车照明领域相对于卤素灯的巨大优势，并从理论上探讨二者性能差异的形成原因，为实际照明工程应用提供技术参考，以期在解决好LED散热问题的前提下，加速LED车灯光源对传统汽车照明光源的替换进程。

1 LED车灯光源的设计

图1是LED车灯光源的结构图，由LED模组、散热体和外接驱动组成。图2是LED车灯光源模组的横截面切片，从图中可以看出，模组由热电分离式铜基板及LED灯珠所组成。所谓热电分离，即散热基板上的导热焊盘与电极被绝缘材料所隔离，导热焊盘专司散热，电极主要起导通作用。在热电分离式铜基板中，散热凸台(导热焊盘)通过蚀刻金属基座而制得，是LED灯珠的安放点。铜箔(线路层)、绝缘层及凸台通过层压工艺实现有机结合，最后利用图形转移的方法完成绝缘层表面的线路(电极及其它导电图形)制作，赋予散热基板电气连接性能。

图1 LED车灯光源及热电分离式铜基板结构示意图Fig.1 Structural representation of LED automobile lamp and thermoelectric separation substrate

图2 PHOTUM HB3(9005) LED车灯光源Fig.2 PHOTUM HB3(9005)LED automobile lamp

2 实验部分

2.1 实验原料及仪器设备

原材料: PHOTUM HB3(9005) LED车灯光源[图2(a)]、OSRAM HB3(9005)卤素灯[图2(b)]。

仪器设备: 伏达UI2058电源综合性能测试仪、积分球系统(远方2 m积分球&HAAS—2000光谱辐射计)、力兹LEDT-300B结温测试仪、快速温度变化实验箱(GWS TSG)。

2.2 实验过程

参照IEC62384:2006标准，利用电源综合性能测试仪对卤素灯与LED车灯光源的电性能参数(电压、电流、功率、功率因数)进行测试；参照EIA/JESD51-1标准，利用电压法借助结温测试仪对LED车灯光源的结温进行测试，同时设置环境温度为30±2 ℃，设置电流为1.2 A(直流)；参照GB/T 24824—2009标准，利用积分球系统对LED与卤素灯的光学性能(光通量、光功率、光效、主波长、色温等)进行表征，同时设置环境温度为25±1 ℃；参照IEC 60068相关标准，当环境温度为65 ℃时，设置工作时间为6 000 h，每1 000 h利用积分球系统对LED车灯光源进行光通量测试，并根据测量结果计算其光通量衰减量；参照GB 25991标准，设置循环开始温度为20 ℃，升降温速率0.6～5.0 ℃/min，在-40 ℃时保温2 h后点亮，然后再在85 ℃时保温2 h后灭灯，如此反复100 cycle后，检查LED车灯光源工作状态，并根据结果判定其可靠性。

图3 OSRAM HB3(9005)卤素灯Fig.3 OSRAM HB3(9005) halogen lamp

3 分析与讨论

如表1所示，LED与卤素灯的输入电压均为12 V(直流)，输入电流分别为2.13 A和4.54 A，总功率分别为54.5 W和25.53 W。由此可以看出，LED灯的能耗仅为卤素灯的46.84%。

表1 LED与卤素灯的电参数测试结果Table 1 Electrical parameters of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp and OSRAM HB3(9005) halogen lamp

图4是利用结温测试仪对LED整灯的结温测试曲线，根据曲线可知，当环境温度为30±1 ℃，恒定电流为1.2A(直流)时，LED的结温为118.59 ℃，这一温度在LED所允许的范围之内。一般地，LED光电转化效率仅为20%～30%，剩余部分的电能转化成热量在PN结附近聚集，如果不能将这部分热量及时传送出去，那么将会造成结温升高、波长红移、寿命减少、稳定性下降等一系列的严重后果，过多的热量还会导致PN结直接烧毁[10-11]。因此，如何解决好LED的散热问题对拓展其应用范围有着十分重要的意义。普通金属基板(MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board)因绝缘层热阻过大，基板整体导热率一般在2 W/(m·K)以内，根本无法满足功率为25 W的LED散热管理需求[12]。PHOTUM HB3(9005) LED车灯光源使用热电分离式铜基板取代普通MCPCB作为散热基板，散热凸台直接贯穿绝缘层作为了LED的安放点，PN结所产生的大部分热量可以通过散热凸台快速沿着厚度方向传导，将LED结温控制在合理范围之内，较好地解决了LED的散热问题。

图4 LED结温测试曲线Fig.4 LED junction temperature curve

图5 LED与卤素灯光谱图与色品图Fig.5 Spectrum chromaticity diagram and chromaticity diagram

图5(a)是LED的光谱及色品图，其波长为380～780 nm，均在可见光范围之内；图5(b)为卤素灯的光谱及色品图，其部分光谱在380～780 nm的可见光波长范围之内，而另外一部分光谱则在可见光波长范围之外，且含有少量的紫外成分及大量的红外部分。经观察可以发现，卤素灯的色温为2 976 K，对应光的颜色为黄色。而LED色品图中的色温为5 690 K，对应光的颜色为白色，显然更适用于汽车灯的照明。结合积分球系统所测得的其它参数，卤素灯与LED灯的光色参数如表2所示。从表2中可以看出，LED的光通量为2 052 lm，卤素灯的光通量为788.2 lm，前者是后者的2.6倍；LED的辐射通量为6.475 W，卤素灯的辐射通量为4.843 W，前者是后者的1.34倍；LED的出光效率为80.36 lm/W，卤素灯的出光效率为14.46 lm/W，前者是后者的5.56倍。这说明LED在能耗低于卤素灯的前提下，却能获得较高的能效。

表2 LED与卤素灯的光学特性Table 2 Photometric characteristics of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp and OSRAM HB3(9005) halogen lamp

表3是光通量衰减测试结果。据表可知，当环境温度为65 ℃时，LED车灯光源经点亮6 000 h后，光通量维持率均在100%以上，这从侧面说明了LED车灯光源在使用热电分离式铜基板散热之后，LED的结温得到了有效地控制，几乎不产生光衰。

表3 LED车灯光源光衰测试结果Table 3 Light failure test result of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp)

图6(a)是LED车灯光源的冷热循环试验的温度随时间的变化曲线，图6(b)说明了在历经100 cycle的冷热循环后，LED车灯光源仍然能够正常工作，这意味着热电分离式铜基板能够对LED进行有效的散热管理，赋予了其良好的可靠性，能够适应恶劣环境下的使用要求。

图6 PHOTUM HB3(9005) LED车灯光源冷热循环测试结果Fig.6 Thermocycling test result of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp

造成LED较之卤素灯性能更优异的原因除了二者的发光机理不同之外，另一个很重要的原因还取决于LED散热管理方案的合理性。在热传导过程中，热量的传递主要依靠热载流子来完成，在固体材料中的热载子主要有分子、电子、光子和声子。研究表明，合金材料中的热载子主要是电子和声子(晶格振动)，非金属固体材料中的导热载体主要是声子。因此，就热电分离式铜基板而言，散热凸台主要依靠电子和声子实现热传导，绝缘层部分则主要依靠声子进行热传导。在铜合金内部，虽然由电子和声子的共同参与实现热量的传输，但在铜合金-绝缘层界面处，电子穿越界面的机率很小，热传导主要还是通过声子来实现。同时，由于界面处通常是各类缺陷和杂质的聚集地，会引起声子散射，从而对热流的传播起到一定的阻碍作用，并因此形成界面热阻[16，17]。这样，在水平方向上，散热凸台与绝缘层所接触的的地方，只有少量的热流穿越界面扩散出去，而大部分热流则会因界面热阻的存在被限制在铜合金-绝缘层界面范围之内，只能通过基板厚度方向上的散热凸台进行热传导。与普通的MCPCB不同，热流在热电分离式散热铜基板中可直接沿铜制散热凸台进行传导，且在厚度方向上无需流经绝缘层而直接传播到外部热沉，这样就大大增强了基板的散热能力，将大功率LED车灯光源的结温控制在合理范围之内，从而获得了极佳的综合性能，为LED车灯光源全面取代卤素灯提供了可靠的技术保障。