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LED路灯可靠性设计技术研究

作　者: 刘学
导　师: 郝长中
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 功率LED LED路灯可靠性设计技术
分类号: TM923.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大功率LED（Light Emitting Diode，半导体发光二极管）作为一种新型固态冷光源，因其具有高光效、长寿命、节能和绿色环保等突出特点，以其为标志的半导体照明技术被认为是21世纪取代白炽灯的新一代照明技术。我国的照明用电量约占全国年发电总量的12%，而LED照明技术以其突出的节能优势，若能推广应用于照明领域，必将能发挥巨大的节能潜力。为了找到影响LED路灯可靠性的因素，提高LED路灯的可靠性设计技术水平，本文以LED路灯整灯为研究对象，应用可靠性基本理论和基本方法，结合实验数据的分析结论对功率型LED路灯的可靠性进行研究，具体工作主要包括以下几个方面：首先介绍了半导体二极管的结构和发光原理，LED芯片的生产和封装工艺，功率型LED的结构及白光LED的实现方法，还介绍了LED路灯的结构、优势及其在应用中的可靠性问题，介绍了LED可靠性领域国内外的研究现状及发展趋势，阐述了论文的选题意义、主要工作以及课题来源。论文第二章主要进行以下工作：介绍了可靠性的基本理论，及串联、并联、混联系统的结构；分析了驱动电源、发光模组以及散热三个路灯子系统，并研究了各子系统与整灯系统可靠性之间的关系；进行LED路灯的产品定义，并分析了LED路灯的失效机理；最后针对不同驱动形式的LED路灯分别得到其整灯可靠性表达式。论文第三章进行了以下工作：使用matlab软件对OSRAM LM-80报告中的光衰数据展开分析，进行了LED光衰的直线和指数两种模型进行拟合和对比研究；并应用加速寿命模型中的阿伦尼斯模型、单应力艾林模型、多应力艾林模型，对以温度和电流两种应力下的光衰数据进行分析，分别得到其寿命加速模型；通过应用matlab正态检验命令对所得寿命样本进行统计分析，研究了单颗LED的寿命分布规律，并检验了相关的拟合优度；基于由符合正态分布器件构成的串联系统可靠性计算模型，研究了LED的阵列可靠性；本章最后通过对室温下LED长时点亮数据的实测与分析，得到真实衰减曲线，并预测了光衰寿命。论文第四章设计一种被动散热式LED路灯热通道，通过灯壳及散热片的特殊结构设计，来合理布局散热片附近的热空气走向，以达到即使在路灯周围无空气流动的条件下，仅通过散热片周围空气的受热有向自流，也能将灯壳内热量迅速带出灯外的目的，同时也起到对到对散热器和驱动电源的保护作用。论文最后一章通过分析LED路灯结构功能，建立了LED路灯整灯系统的故障树，找出所有底事件，并将其编制成事件定义明细表，最后通过上行法和下行法两种方法求出系统的最小割集事件，并给出系统失效概率的表达式。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-29
  1.1 课题研究背景及研究意义  13-15
    1.1.1 课题的研究背景  13-14
    1.1.2 课题研究意义  14-15
  1.2 LED 可靠性研究现状及课题主要研究内容  15-19
    1.2.1 国内外 LED 的光效实验室纪录  15-16
    1.2.2 LED 路灯可靠性的研究现状  16-17
    1.2.3 主要研究内容  17-19
  1.3 LED 结构及其发光机理  19-22
    1.3.1 LED 的结构  19-20
    1.3.2 LED 的发光机理  20-22
  1.4 LED 芯片的生产和封装  22-26
    1.4.1 LED 芯片的发光材料和生产工艺  22-24
    1.4.2 LED 芯片的封装工艺  24-25
    1.4.3 照明用大功率型 LED 白光的实现  25-26
  1.5 LED 路灯结构  26-28
  1.6 课题来源  28-29
第二章 LED 路灯可靠性建模研究  29-48
  2.1 引言  29
  2.2 可靠性的基本理论  29-35
    2.2.1 可靠性定义  29-30
    2.2.2 可靠性的重要特征量  30-33
    2.2.3 系统可靠性基本理论  33-35
  2.3 LED 路灯整灯结构及子系统分析  35-40
    2.3.1 驱动电源分析  36-37
    2.3.2 发光模组分析  37-39
    2.3.3 散热系统分析  39-40
  2.4 LED 整灯可靠性  40-47
    2.4.1 LED 路灯产品定义  40-41
    2.4.2 LED 路灯失效机理分析  41-44
    2.4.3 LED 整灯可靠性  44-47
  2.5 本章小结  47-48
第三章 LED 寿命数据分析  48-80
  3.1 引言  48-49
  3.2 单颗 LED 光衰的指数、直线两种外推模型对比  49-53
  3.3 LED 加速寿命模型研究与加速寿命数据分析  53-62
    3.3.1 加速寿命试验基本理论及基本加速模型  53-55
    3.3.2 以温度作为加速应力的阿伦尼斯模型  55-58
    3.3.3 艾林加速模型与阿伦尼斯模型的对比  58-60
    3.3.4 温度、电流双应力艾林加速模型  60-62
  3.4 单颗 LED 寿命分布研究  62-68
  3.5 基于正态器件串联的 LED 阵列可靠度计算  68-72
  3.6 LED 室温点亮数据实测与分析  72-78
  3.7 本章小结  78-80
第四章 LED 路灯热通道设计  80-92
  4.1 引言  80
  4.2 被动散热式 LED 路灯的散热通道整体设计  80-83
  4.3 被动散热式 LED 路灯的散热通道各部分设计  83-90
  4.4 本章小结  90-92
第五章 LED 路灯故障树分析  92-102
  5.1 引言  92
  5.2 LED 路灯故障树的建立  92-98
  5.3 LED 路灯故障树最小割集及其失效概率表达式  98-101
    5.3.1 最小割集分析  98-100
    5.3.2 故障树定量分析  100-101
  5.4 本章小结  101-102
结论  102-104
参考文献  104-108
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  108-109
致谢  109-110

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