大功率LED照明系統(tǒng)的瓶頸與解決方案

以單片機AT89C51為控制核心，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)引入到LED散熱研究中，采用PID算法和PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的輸入電壓的控制，進而實現(xiàn)了對半導(dǎo)體制冷功率的控制，通過實驗驗證了該方法的可行性。

　　隨著LED技術(shù)日新月異的發(fā)展，LED已經(jīng)走進普通照明的市場。然而，LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到散熱問題的影響。對于大功率LED而言，散熱問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的一個瓶頸問題。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有體積小、無須添加制冷劑、結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的進步，以及高熱電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)現(xiàn)，利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，將具有很現(xiàn)實的意義。

　　1 LED熱量產(chǎn)生的原因及熱量對LED性能的影響

　　LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅(qū)動下，克服PN 結(jié)的電場，由N 區(qū)躍遷到P 區(qū)，這些電子與P 區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于漂移到P 區(qū)的自由電子具有高于P 區(qū)價電子的能量，復(fù)合時電子回到低能量態(tài)，多余的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子只有30%～40%轉(zhuǎn)化為光能，其余的60%～70%則以點振動的形式轉(zhuǎn)化為熱能。

　　由于LED是半導(dǎo)體發(fā)光器件，而半導(dǎo)體器件隨溫度的變化自身發(fā)生變化，從而其固有的特性會發(fā)生明顯的變化。對于LED結(jié)溫的升高會導(dǎo)致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現(xiàn)在以下三個方面：⑴減少LED的外量子效率;⑵縮短LED的壽命;⑶造成LED發(fā)出光的主波長發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入，其產(chǎn)生的熱量很大，解決其散熱問題是當(dāng)務(wù)之急。

　　2半導(dǎo)體制冷原理

　　半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導(dǎo)體制冷器的基本器件是熱電偶對，即把一只N型半導(dǎo)體和一只P型半導(dǎo)體連接成熱電偶（如圖1），通上直流電后，在接口處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在電路上串聯(lián)起若干對半導(dǎo)體熱電偶對，而傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，是熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，這就是半導(dǎo)體制冷的原理。

　　圖1 半導(dǎo)體制冷片TEC結(jié)構(gòu)

　　本文采用半導(dǎo)體制冷是因為與其他的制冷系統(tǒng)相比，沒有機械轉(zhuǎn)動部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制，體積和功率都可以做的很小，非常適合在LED有限的工作空間里應(yīng)用。