如何采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)來(lái)降低大功率LED照明的工作溫度

綠色環(huán)保時(shí)代的來(lái)臨對(duì)能源的高效率利用提出了更高的要求，照明技術(shù)作為最早推動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)的民用技術(shù)，同樣也正在進(jìn)入一個(gè)由傳統(tǒng)的熱光源照明轉(zhuǎn)向以LED等高效節(jié)能技術(shù)為主導(dǎo)的冷光源照明時(shí)代。大功率LED工藝及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)無(wú)以將是這場(chǎng)變革中的核心技術(shù)。對(duì)于大功率LED的驅(qū)動(dòng)及LED本身的工藝，業(yè)界已經(jīng)有了許多探討，相關(guān)產(chǎn)品及方案也正如雨后春筍般出現(xiàn)在市場(chǎng)上。然而困擾著所有LED從業(yè)人員的依然有兩大關(guān)鍵問(wèn)題尚未能完美解決，其一為L(zhǎng)ED生產(chǎn)及其驅(qū)動(dòng)電路的制作成本，相對(duì)于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)而言略顯高昂，另一個(gè)問(wèn)題就是LED本身的發(fā)熱及散熱問(wèn)題始終是目前困擾開(kāi)發(fā)人員的最大難題。相對(duì)而言，成本問(wèn)題會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本控制的優(yōu)化逐步可以得到解決，而LED的散熱問(wèn)題則成為了目前阻礙LED技術(shù)推廣的主要瓶頸。本文所介紹半導(dǎo)體制冷技術(shù)并不是一種近期新興的技術(shù)，但是將其與目前的大功率LED照明相結(jié)合，特別是應(yīng)用在功率輸出極大的特種領(lǐng)域，將能非常有效地降低LED工作溫度，有效地延長(zhǎng)LED使用壽命及改善發(fā)光亮度和顯色性等問(wèn)題。

所謂半導(dǎo)體制冷是指通過(guò)半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度冷卻，從而有效控制半導(dǎo)體周?chē)h(huán)境溫度的技術(shù)。傳統(tǒng)制冷技術(shù)是通過(guò)卡諾熱機(jī)的原理，利用制冷劑的多態(tài)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制，因卡諾熱機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要壓縮機(jī)等部件，使得傳統(tǒng)制冷設(shè)備的體積往往非常龐大，一般都是用于大型電器設(shè)備上。而半導(dǎo)體制冷相比于傳統(tǒng)制冷設(shè)備有著體積小，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，制冷溫度精確可控，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。特別是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且體積小這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，極適合于將其應(yīng)用于小型電子設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部件的降溫，使關(guān)鍵部件可以工作于最佳的溫度狀況中。

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷，是一項(xiàng)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其基本原理基于五大熱點(diǎn)效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅利葉效應(yīng)。 目前所討論的半導(dǎo)體技術(shù)一半都是基于珀?duì)柼?yīng)的。

珀?duì)柼?yīng)是1834年由法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)的。他曾經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由N、P型材料組成得一對(duì)電偶，當(dāng)通入直流電流后，因電流通入的方向不同，會(huì)在電偶結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，其原理可解釋為：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它們從高能級(jí)向著低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)釋放出多余的能量，表現(xiàn)出放熱；反之當(dāng)他們從低能級(jí)向著高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)從外界吸收能量，表現(xiàn)出吸熱制冷的效果。在半導(dǎo)體中，當(dāng)電流由N結(jié)流向P結(jié)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，而當(dāng)電流從P結(jié)流向N結(jié)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱之為珀?duì)柼?yīng)。根據(jù)此原理所做成的珀?duì)柼?yīng)熱泵，就是利用P型和N型半導(dǎo)體粒子按照一定的規(guī)則排列，將它們用金屬連接片焊接成一個(gè)電偶對(duì)，接上直流電源后將電流從N極流向P極的那端作為冷端，用于制冷，而將P極流向N極的一端作為熱端，用于放熱。本質(zhì)上，該器件就是一個(gè)將熱量從一端移動(dòng)到另一端的能量泵。其原理如圖1所示

圖一

? ? ? ?目前國(guó)內(nèi)較為常用的P型和N型制冷半導(dǎo)體材料為以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。圖二a和圖二b分別為一個(gè)常用半導(dǎo)體制冷模塊的實(shí)物照片。
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圖二a 正視圖

圖二b 側(cè)視圖

一般來(lái)說(shuō)半導(dǎo)體制冷器件的體積可以做得很小，相比于傳統(tǒng)壓縮機(jī)的制冷技術(shù)，可以更方便地用于對(duì)電子電氣設(shè)備的降溫，且制冷器可以做成各種形狀的貼片結(jié)構(gòu)，貼附在芯片等關(guān)鍵發(fā)熱元件的表面，以實(shí)現(xiàn)散熱降溫的效果。其實(shí)這一技術(shù)在一些特定領(lǐng)域已經(jīng)有了一些廣泛的應(yīng)用，比如曾經(jīng)有PC機(jī)的超頻愛(ài)好者，利用這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體制冷器，將CPU滿負(fù)載時(shí)的表面溫度降到了－3攝氏度，從而使得CPU的工作主頻順利升到了正常水平的50％以上。

如果用半導(dǎo)體制冷器件對(duì)特大功率的LED進(jìn)行降溫，也同樣可以達(dá)到優(yōu)化LED工作狀態(tài)的效果，從而延長(zhǎng)LED的壽命，改善LED發(fā)光的色溫及一致性等問(wèn)題。對(duì)于大功率LED照明來(lái)說(shuō)，70％以上的故障都是由于LED溫度過(guò)高所導(dǎo)至的。LED結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致器件各方面的變化與衰減，這種變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一，減少LED的外量子效率；二，縮短LED的壽命；三，造成LED發(fā)生光的主波長(zhǎng)偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。其中器件的外量子效應(yīng)是與LED光效直接相關(guān)的量，外量子效率的下降會(huì)致使LED光效的降低。隨著LED結(jié)溫的上升，白光LED發(fā)光的主波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。圖三ab所示分別為L(zhǎng)ED結(jié)溫與光效率的關(guān)系及結(jié)溫與LED壽命的關(guān)系。

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圖三a
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圖三b

? ? ? ?當(dāng)LED的結(jié)溫達(dá)到125攝氏度以上時(shí)，LED的發(fā)光效率就會(huì)顯著下降，故障率較之100攝氏度時(shí)會(huì)上升兩倍以上。一般情況下，當(dāng)LED在額定功率一半以上工作時(shí)，溫度每升高20度，故障率就會(huì)提高一倍。 而通常照明LED為了提高散熱的效果，會(huì)將多顆LED以一定間隔排列，這又會(huì)導(dǎo)至LED的聚光效果不夠理想，影響了照明的效果，降低了總體發(fā)光效率。通過(guò)給大功率LED的鋁基板增加半導(dǎo)體制冷功能，將LED的發(fā)熱由制冷模塊快速地傳遞到另一端，同時(shí)對(duì)另一端進(jìn)行散熱，就能有效地降低LED工作時(shí)的環(huán)境溫度。該基板結(jié)構(gòu)可以做成如下圖四的形式：
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圖四

? ? ? ?該基板還能根據(jù)具體應(yīng)用的需要做成各種形狀，如筒狀或者拋物面型等。這樣可以更有效地將多顆LED的位置進(jìn)行光學(xué)優(yōu)化分布。從前文的圖三中可以看出，如果將LED的環(huán)境工作溫度始終保持在100度以下，那么其光輸出效率和壽命將比125度以上工作環(huán)境下有大大地改善。這種改進(jìn)對(duì)于有超大功率應(yīng)用如汽車(chē)前燈照明，路燈照明等領(lǐng)域有著特別顯著的實(shí)際意義。 ?