LED光电转换效率测试及应用研究

张灵改

ZHANG Ling-gai

（集美大学 诚毅学院，厦门 361010）

0 引言

发光二极管（light emitting diode,LED）是21世纪最具发展前景的新型冷光源，由于它节能、环保、绿色无污染照明，使得LED成为当今世界上替代传统光源的新一代照明光源[1]。

LED照明产品需要较短的开发周期来响应市场需求，利用CFD仿真软件全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射，分析求解LED灯具内外的温度场和流场等，适用于所有LED室内照明灯具的开发设计[2]，可以有效地缩短研发周期和降低研发费用，因此该方法普遍为国内外照明厂家采用。在CFD散热仿真过程中，热量计算是十分重要的，因为它决定了整个灯具系统中热载荷的大小。行业内目前对在散热仿真的热量评估方法比较简单，通常设定光电转换效率的20%～30%[3,4]，或根据LED封装生产厂家给出的一个光电转换效率来估算热量，而实际情况受到光电参数、灯具结构、工作环境温度等的影响，光电转换效率会出现较大的偏差。同时，LED供应厂家提供的数据往往都是瞬态、常温（冷态，25°C，下同）时的测试结果，如表1所示的一款三星5630 LED（3000K）的测试数据，通过对比数据，同样的电流输入情况下，瞬态和稳态的数据存在较大的差异。

因此，为了准确评估光源所产生的热量，保证CFD散热模拟仿真的准确性，需要对所使用LED进行相应的光电转换效率测量实验，以获取较为准确的数值。

1 测试系统－HAAS-2000

远方光电的HAAS-2000[5]高精度光谱分析系统采用高精度TE-cooled面阵CCD探测器和欧洲定制平场凹面衍射光栅，可以实现在极短的测量时间内，精确测量LED的光谱、光度和色度特性。HAAS-2000还可同时实现LED的稳态测量和脉冲测量，带有恒温加热测试夹具，可以模拟实际工作温度下的LED光学测量，恒温加热温度范围为5°C～90°C[6]，符合本文试验LED测试需求。HAAS-2000光谱分析系统如图1所示，主要组成为LHS-1000供电热测试系统、0.5mm远方光学积分球、TC-100大功率LED温度控制器、HASS-2000光谱仪以及LHS-1000 LED光电热综合测试系统软件组成。

表1 三星5630 LED（3000K）光电参数

图1 Hass-2000高精度光谱分析系统

2 测试用LED

LED室内照明灯具光源从早先常用的2020、3014、2835等中小功率发展到现在普遍采用的3030、5630、3535等中大功率LED型号，主要是受益于光电转换效率的提高、芯片尺寸加大以及散热结构的优化等技术进步。本论文选用现在室内照明灯具常用的3030、5630 LED型号作为试验对象，供应商为韩国首尔半导体。产品图片如图2所示，产品参数如表2所示[6,7]。

图2 首尔半导体LED

3 施加温度载荷的LED光电转换效率测试实验

3.1 常温下LED光电转换效率测试

首先进行常温下LED光电转换效率测试，即承载待测试LED的热沉温度为室内温度（本实验为数据分析需要，利用TC-100大功率温度控制器热沉温度控制为25°C，如图3所示）。此部分实验测试结果虽然与实际应用情况有所差别，但仍然能看出电流应力对LED光电转换效率的影响趋势，同时需要与在施加温度应力情况下的LED光电转换效率测试数值进行比对分析，所以还是需要进行常温下实验测试，常温下LED光电转换效率测试结果如图4所示（每组测试LED样品为3个后取各参数平均值，以下类同）。

图3 热沉温度控制系统

图4 常温（25°C）下LED光电转换效率测试

表2 首尔半导体3030、5630 LED规格参数

3.2 施加温度应力下LED光电转换效率测试

施加温度应力下的LED光电转换效率测试，即与实际LED产品应用情况相似，得出的实验测量数值具有较好的实践参考意义。承载LED的热沉温度人为控制到一稳定温度数值后再进行测量，此热沉温度可相当于实际应用过程中铝基板温度（误差不可避免会存在，但已较为接近）。厦门大学吕毅军教授团队曾研究了发光效率与电流、热沉温度等的关系[8]，但该研究在5年前，产业化LED的内量子效率得到较大的提升，因此为了LED灯具散热建模仿真热量计算的依据更为准确，进行本次测试实验工作。

每次对待测LED样品进行点亮测试之前，先将温控热沉加热到实验所需设定温度。此温度仅为热沉温度，若要反应到PN结温度，需要加上接触热阻和封装热阻，封装热阻由LED供应商可以查询获得，也可以通过T3ster热阻测试仪测得[10]；接触热阻为待测LED样品与热沉间的导热介质热阻（本实验为0.05mm、1W/m.K的导热硅脂）。在LED产品实际应用过程中，通过接触式测量（热电偶）可测得较准确温度点也基本为铝基板，所以本实验温度控制参考基准也以铝基板为主。根据实际LED照明产品应用中铝基板温度范围，温度控制选择45°C、55°C、65°C、75°C四个档的温度应力，实际使用中其他温度可以根据线性计算获得。

4 数据分析

在施加电流应力下测试LED样品光电转换效率测试（每种型号测3个样品），根据LED照明产品中的电流使用情况，电流控制选择75mA、100mA、125mA、150mA四个档的电流应力分别进行测试。

本研究选用的待测LED产品是首尔公司GaN基白光LED5630（3000K，6000K）、3030（3000K，6000K）四种共12个，LED施加温度应力和电流应力的光电转换效率测试结果如图5～图8所示。

从图5～图8的数据结果表明，LED光电转换效率受电流应力和温度应力的又重影响，在做好LED应用环境的散热设计同时，也要关注所使用的电流大小，保证产品的能量利用率。

5 结束语

图5 不同温度下LED光电转换效率测试（5630-3000K）

图6 不同温度下LED光电转换效率测试（5630-6000K）

图7 不同温度下LED光电转换效率测试（3030-3000K）

图8 不同温度下LED光电转换效率测试（3030-6000K）

本实验研究针对常用（在用）LED产品进行测量分析，得到较为准确的在特定电流应力和温度应力下的LED光电转换效率，能够有效提高散热模拟仿真准确性。在需要相关的LED光电转换效率值，可从四个测试结果图表中查询所需要的数值，可以保证该类型LED的灯具EFD热仿真或热阻推算过程中应用需求。但是考虑到测试样本数水平及LED产品型号有限，后续有新的LED应用到灯具当中，要按照本文方法重新进行相关测量，才能较为准确地获得其实际应用过程中的光电转换效率。

[1]陈杰.LED筒灯散热仿真及光源布局优化研究[J].照明工程学报,2013,24(3):81-86.

[2]海基科技.LED灯同步CFD分析解决方案[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/514e783b5901020207409ca2.html(百度文库),2012-7.

[3]Arik M,Beckerb C,Weaverb S,et al.Thermal management of LEDs:Package to system[J].Proc SPIE,2004,5(187):64-75.

[4]Lin M.T.,Ying S.P.,Lin M.Y.,et al.High power LED package with vertical structure[J].Microelectronics Reliability,2012(52):878-883.

[5]远方光电.HAAS-2000高精度快速光谱辐射计(实验室级)[EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=94&fid=7.

[6]远方光电.TC-100大功率LED温度控制器 [EB/OL].http://www.everfine.cn/productinfo.php?pid=128&fid=14

[7]Seoul Semiconductor.Specification SSCSTW8C2SA(3030)[EB/OL].

[8]Seoul Semiconductor.Specification STW8Q14BE(5630)[EB/OL].

[9]吕毅军,雷瑞瑞,高玉琳.功率LED发光效率分析[J].光学学报,2009,29:13-17.

[10]殷录桥,张金龙,宋朋.热界面材料对高功率LED热阻的影响[J].光电子.激光,2013(10):234-239.