led灯具模组设计及其光电热耦合特性分析

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1、万方数据天津工业大学硕士学位论文对LED灯具模组的研究，总结出LED平板灯照明模组的产品设计规则，设计标准化LED照明模组。通过若干此模组与灯具结合可组成市场上常用规格LED平板灯：由于灯具内LED照明模组的模块化器件构造，当出现LED灯珠失效的时候，可以单独拆换灯珠失效的LED灯板照明模组，降低维护费用。LED照明模组工作时将电能转化成光能和热能，即出现发光与发热现象。在电能转化成光能的过程中，LED模组工作温度过高亦或者工作电流过大都会使得LED产生明显的光衰现象，散热设计在模组设计工作中必不可少【81。若

2、LED的工作温度超过芯片所能够承载的极限温度，会破坏LED内部结构，使得LED的发光效率迅速下降，产生明显的光衰【9】，LED将会受到永久性的破坏；当LED的工作电流超过其芯片所能承受的饱和电流时，同样会使LED的发光效率快速下降，光衰现象十分明显【10】。显然，LED本身所能承受的极限温度与模组散热设计有一定联系，散热良好的装置可一定程度上降{氐LED的工作温度，其饱和电流也可以变得更大，因而LED也可以在电流相对较大的环境下工作【ll】。综上所述，LED工作温度不仅影响其光学特性，也会影响其工作电压、正向电

3、流等电学特性，这些因素相互影响和制约，共同造成了LED的光功率、光通量、光效、电功率等参数的变化【12】。本文根据LED的光学、电学特性，结合LED的工作温度，建立LED的光电热耦合模型并进行分析。本文设计LED照明通用模组，可实现LED灯具光源标准化互换；设计通用分析模型，使用COMSOLMultiphysics仿真软件结合数学拟合关系进行建模，对LED灯具模组的热分布进行分析。本文的研究内容为LED照明模组的设计提供了参考，在半导体照明领域具有很高的应用价值。1．3本文的研究内容本文通过对LED的光电热耦合

4、特性进行分析，结合实验测试，分析温度与LED光电热参数之间的耦合关系。通过数学拟合，将本关系带入LED灯具导热模型，可以快速准确的建立LED灯具光电热多物理场耦合模型，提高LED灯具建模精度和建模效率。在对LED光电热分析的基础上，结合LED灯具模组设计规则，设计LED灯具模组，同时采用所得拟合关系对LED灯具模组进行热仿真分析。论文主要内容如下：1．介绍了发光二极管及其光电热耦合的基本理论。2．以白光LED芯片作为研究对象，搭建了由半导体制冷片和光谱仪组成的LED变温发光特性测试系统。研究温度是如何具体影响L

5、ED相关光电参数，分析了LED的光电热耦合特性；通过数学拟合，得到温度与LED电功率的拟合关万方数据第一章绪论系，将本关系带入LED芯片模型，可以快速准确的建立LED芯片的光电热多物理场耦合模型，提高LED芯片的建模精度和建模效率。3．分析了典型的LED照明模组产品设计规则，根据产品设计规则，设计300mmx150mm的“单元化”LED照明模组。通过COMSOLMultiphysics仿真软件建立LED灯具模组模型，模组中热源的设定根据实验中所测拟合曲线得到，设定相关材料属性和边界方程，分析LED灯具模组的热分

6、布。与玻纤板和陶瓷基板相比较，综合分析得到铝基板的性价比更高，采用其作为模组的载体。可通过若干该LED灯板模组组成更大规格尺寸、更大功率的LED灯具，从而降低LED灯具的集成度、降低大规格LED灯的维护费用。万方数据天津工业大学硕士学位论文4万方数据第二章LED及其光电热耦合的基本理论当光照射在某些物质上，或者当外加电场、电子束轰击在某些物质上时，这些物质受到激发，物质由激发态回归平衡态过程中释放能量，如果这部分能量以可见光或接近可见光的电磁波形式释放出来，就会产生发光的现象【13】。发光二极管外加电场时，输入

7、的电能转化为光能和热能，LED的工作是一个涉及光电热耦合的过程。2．1二极管发光特性一定能量的光子若是被半导体中的电子吸收以后，会被激发。同样，当半导体中的电子处在激发态时，这些电子可以向较低的能级进行跃迁，然后能量通过光辐射的形式释放【14】。光子的释放过程是由于半导体中的电子由高能级向低能级跃迁，这就是半导体的发光现象。2．1．1发光二极管的发光原理发光二极管PN结的形成是由PN两类半导体材料构成的，由N型区域扩散至P型区域的是电子，由P型区域扩散至N型区域是空穴，电子和空穴通过扩散在P型区域和N型区域的交

8、汇处形成了势垒，最终载流子的扩散被阻止，扩散运动和漂移运动将处于一个动态的平衡状态当中。如果将一个正向偏置电压外加在PN上时，即电源的正极接在P型区域上，电源的负极接在N型区域上，则会降低PN结势垒，P型区域中会被注入N型区域的电子，N型区域中会被注入P型区域的空穴，导致了非平衡状态的发生。这些注入的电子和空穴将在PN结处结合发生复合，多余的能量将以光的形式释放出来，此为PN结的发光原