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大功率LED有源温控系统的开发

• 摘要：由于大功率LED供电时其插件电感器大部分能量转化为热能，如果热量不能有效散出，将严重影响其光照亮度及其使用寿命。为了大功率LED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，采用热电制冷效应，使用LED驱动器本身作为制冷器的驱动电源，同时建立基于半导体传感器的温控监测电路，通过内部数字PI调节器形成一个完整的闭环控制系统，最后获得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的准确性和可靠性。
  关键词：电力电子；有源温控；电桥；LED
  
  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φ2～φ5 mm，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，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2～9 nm。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L塑封电感器ED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，这环型电感器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(Petter)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。
  当有外加直流电流I流过2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：
  Q=πI (1)
  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2种导体的性质及接头的温度有关电感生产，而与导体其他部分的情况无关，且这种效应是可逆的。

  

  
  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。

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