高效无金属散热器LED照明灯节能技术解析

使用寿命。

　　我们可以用蓝加红或橙LED芯片以提高CRI，还可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光条，而无需用发光粉。所述芯片也可以是芯片基板背镀反射膜的或不透明的芯片，所制成的LED发光条仍为4π出光，但其光效将比芯片基板是透明的要低。所述芯片还可以用倒装LED芯片，倒装在印有电连接线的透明基板上制成发光条，还可用一个芯片上有多个PN结的高压LED芯片(HVLED)制作发光条，以减少芯片之间的电连接线，提高成品率和生产效率。

　　这类LED灯丝灯的光效要比现有用≤2π出光的LED元件制成的球泡灯高30%以上，而且无金属散热器，可节省大量铝，更环保，重量轻，目前已经开始被市场接受，批量生产。

　　然而，也有人担心它的使用寿命难以达到30000小时或以上，难以制成输出光通量高于800 lm的大功率LED灯。下文会对此分别叙述。

　　三、寿命分析

　　LED灯寿命主要取决于LED PN结的工作温度和发光粉的光衰。

　　图4所示为目前常用的GaN LED的不同PN结温的光通量衰减图，图中标有不同结温时的L70寿命。由图可见，若结温<85℃，L70寿命可达30000小时以上。LED PN结的温度不容易测量，用主波峰的位移、结电压变化、红外成像仪、发光效率的变化等可以估计PN结的结温。

　　图5所示为相对光通量和结温的关系，由图5可见，在恒定LED输入功率的条件下，稳定光通量比冷态光通量下降10%时的结温为75～85℃。恒定功率条件下光通量的变化，即相对光效的变化。因此我们可以测量灯的初始光效和热稳定后相同输入功率的稳定光效之比来估计LED灯稳定工作时PN结的结温，若此稳定光效和初始光效之比≥0.9，由图4和5可见、灯的寿命估计可达30000小时以上。当然，同时还要计及发光粉的光衰和其它因数；最后还需要以实际测量来确定。　　也就是说，LED灯丝灯的设计，应该满足稳定光效和初始光效之比≥0.9的条件，LED灯丝灯才可能有30000小时以上的使用寿命。

　　我们的寿命试验的实验结果如图6所示，该实验结果是14个稳定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED灯丝灯寿命测试的平均值(Lr)。图中虚线为能源之星35000小时寿命的光衰曲线，其中1000小时被定义为初始值(100%)。由图6可见，所述LED灯丝灯的L70寿命有可能达到30000小时以上。

　　现在我们再来看一看灯泡中充高导热率低粘滞系数气体的重要性。图7所示为同一个3.9W的LED灯丝灯，在充有室温下近一个大气压的氦气和折断排气管放入空气后，在相同输入功率条件下，光效随时间的变化。图中上面一条曲线为充有氦的测试结果，下面一条曲线为相同测试条件下，放入空气后的测试结果。由图可见，在充有氦气时，稳定光效与初始光效之比>0.9，对照图4和5、其PN结的结温<85℃，预计寿命可大于30000小时。

　　然而一旦放入空气，不仅其稳定光效降低了19%，其稳定光效与初始光效之比下降到<0.75，对照图5，其PN结的结温>150℃！ 显然已经难以正常工作了。这里可以明显看到充高导热率、低粘滞系数气体的重要性，也说明了充空气的LED灯丝灯发光效率低、光通量小的原因。

　　此外，假设LED灯泡寿命长达30000小时，若以每天工作3小时计，长达20多年的工作期间保持泡壳内气体的纯度，泡壳必须真空密封，用现有的有机或无机胶密封都不可能长时间保持其气体的纯度。真空密封还可以完全隔离周围环境对LED元件的影响，LED可以在完全没有周围空气中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影响下工作，更有可能使用寿命长达20年以上。　　四、陶瓷管LED灯分析

　　此前，有人预言、LED灯丝灯只能制造500 lm以下的小功率灯。这样的预言不是没有道理，因为由LED灯丝(发光条)组装而成的灯丝灯，由于受到LED灯丝与散热气体接触面积小、散热面积小、热阻大的限制，单灯的输出光通量确实难以做到>800 lm。

　　而半导体照明的目标是要替代10～150W通用的白炽灯和与它相当光通量的荧光节能灯。实际上也只有这样，半导体照明才能成为通用照明的主流。参照美国能源之星，40W、60W、75W、100W、150W白炽灯的初始输出光通量分别为450、800、1100、1600和2600 lm。

　　如何制成光通量为800～2600 lm的大功率无金属散热器LED照明灯？其关键在于：在保持LED 4π出光、高效率、低发热的基础上，进一步提高LED的散热面积，减小LED PN结到灯周围散热空气的热阻和进一步提高泡壳的散热能力。

　　锐迪生解决这个问题的技术方案是：把LED发光条或LED芯片直接紧贴在一个高导热率的透明管的外壁上，所述透明管，例如为透明陶瓷管、石英管、蓝宝石管等，透明陶瓷管具有高达23 W/(m·K)的导热率、高达95%以上的总透光率，其导热率接近芯片基板蓝宝石，它的内、外表面都与散热气体接触和散热，大大增加了LED的散热面积、降低了LED芯片PN结到散热气体的热阻。

　　图8所示为用上述透明陶瓷管LED发光柱制成的A19 LED灯泡的示意图。如图所示，LED发光条被固定在一个透明陶瓷管的外表面上，泡壳芯柱上的玻璃柱上端有一弹簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端与芯柱的引出线连接并固定，芯柱引出线与灯的驱动器输出连接，驱动器的输入与灯头连接，灯头用于连接外电源，接通外电源即可点亮LED灯。

　　图9和10为两种不同结构的LED发光柱的截面示意图。图9为LED发光条粘贴在透明陶瓷管外表面的LED发光柱的示意图。图10为LED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED发光柱的示意图。

　　如图9所示，至少一条LED发光条被用透明胶固定在透明陶瓷管外表面上，图中是有4条发光条的例子。透明陶瓷管上有供安装发光条的平面，各发光条相互串联或串并联。

　　图10为LED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明胶固定在预先涂覆有发光粉层的陶瓷管平面上，也可用混合有发光粉的固晶胶固定在透明陶瓷管的平面上。

　　图10所示为LED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一发光粉层上的例子，LED芯片上覆盖有第二发光粉层。LED芯片经一薄发光粉层被直接固定在高导热率陶瓷管上，其间没有透明基板，仅有一薄层粉胶，芯片的蓝宝石基板基本上直接与陶瓷管接触，热阻很小，进一步降低了LED的PN结与散热气体之间的热阻，即可降低PN结的工作温度，可提高LED芯片的工作电流和功率，提高输出光通量。同时，还可以用较大功率的中功率LED芯片，以减少LED发光条的数量和LED芯片的数量，减少固晶和打线数，提高生产效率、成品率和可靠性，必要时还可打双线、以进一步提高可靠性。　　如图9和10所示的把发光条或芯片直接固定在高导热率管上，还可保持各发光条和各芯片基本上处于相同的工作温度，从而可降低因个别芯片温升过高而导致整灯失效的几率，以提高灯的可靠性。

　　图9和10所示的LED发光柱的结构还可有多种变换，例如，用不同结构的发光条；LED芯片可以是有背镀反射膜的或不透明的芯片；LED芯片可用蓝加红或橙LED芯片以提高CRI；也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED发光柱，而无需用发光粉；也可用倒装LED芯片；还可用HVLED芯片；发光粉也可被涂布在灯泡的泡壳内壁上等。

　　用上述方法可有效提高单灯的灯功率和输出光通量。但整灯的最后散热仍取决于泡壳与周围空气的热交换，LED发光柱位于泡壳的中央，泡壳与周围空气的接触面积有限，即使用直径较大的陶瓷管，也难以制成更大输出光通量的LED通用照明灯。

　　五、 大功率多管灯分析

　　锐迪生用多管灯方案突破了瓶颈，使800～1600lm和更高流明的无金属散热器LED照明灯得以实现。这类多管灯相当于把单灯的泡壳劈开，分成几个，各灯管之间有让空气自由流动的间隙，容易形成空气对流，使各灯管都可有效散热，大大增加了灯管与周围空气的热交换散热能力，从而可提高灯功率和输出光通量。

　　多管灯的散热方案可称为管内气体对流散热和各灯管之间空气对流散热的双重对流散热技术，能制成体积小、输出光通量更高的无金属散热器的LED通用照明灯。目前已经研制成了光通量为800～1600 lm的多管陶瓷管LED灯和光通量高达4000 lm的实验样灯。

　　图11所示为一个输出光通量为1600 lm 的4管LED灯的例子。其每一灯管各自真空密封并充有高导热率、低粘滞系数的散热保护气体，每个灯管内各有一个透明陶瓷管LED发光柱；各LED灯管各自恒流或限流驱动，可避免各灯管因LED电流与温度正反馈引起的光衰不一致的问题，保证各灯管光衰一致和长使用寿命。

　　现已制成2管、3管和4管T5的大功率LED灯。其5000K色温的多管灯的典型参数为：

　　2管灯：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI：81；灯高：110mm，最大直径：40mm，重量：58g；

　　3管灯：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI：82；灯高：110mm，最大直径：48mm，重量：64g；

　　4管灯：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI：81；灯高：110mm，最大直径：52mm，重量：70g；

可见，6.4W 2管灯相当于60W白炽灯；12.2W 4管灯相当于100W白炽灯。整灯光效都在130lm/W以上，无金属散热器，体积小，重量轻。锐迪生的多管灯容