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大功率LED器件的热学研究

作　者: 韩凯
导　师: 刘木清
学　校: 复旦大学
专　业: 光电系统与控制技术
关键词: LED 热阻工作结温采样频率测量电流
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

上世纪九十年代第一颗蓝光LED的被成功制造,其间LED器件的功率不断增大,至今大功率LED已经能够满足通用照明所需要的光通量,然而随之而来的还有单颗LED发热量的增大。作为半导体器件的LED,其工作结温对其效率和寿命有着重要的影响,因此LED器件,尤其是大功率LED器件的散热原理及其热学结构、其工作结温的准确测量等热学问题是LED应用到照明领域中的所面临的至关重要的课题。本论文正是基于研究大功率LED的热学问题展开,研究讨论论了电学测量方法测量LED热学性能中涉及到的各种基本问题,文章所做的主要工作如下：1、本论文通过半导体器件的理论推导了K系数随着测量电流变化的变化规律,并使用基于Keithley S2400的测量平台实验进行验证。2、本论文使用基于Keithley S2400的测量平台,采用不同采样频率和测量电流对同一款LED相同散热条件下的结温进行了测量、比较,系统分析了测量电流、采样频率对LED结温测量结果的影响,并用分析过程中建立的理论以及LED系统的RC网络模型解释了为何在低采样频率下LED结温将被低估,最后基于这些理论提出了一种采用工作电流作为测量电流的结温测量方法,以及一种对低采样频率测量结温误差的补偿方法。3、本论文基于JESD51-1提出的电学测量方法搭建了一套以NI 5922数据采集卡为核心的热学测量平台,并对实际测量中的非理想因素进行了研究分析,在LABVIEW中建立了一套数据处理的算法将这些非理想因素从测量结果中排除,最后通过重复之前S2400平台上关于采样频率和测量电流的实验,定量讨论了其对LED工作结温测量的影响,验证了之前的结果,同时也某种程度上验证了新建平台测量的准确性。4、本论文利用了RC网络模型分析了LED结温测量中的加热以及冷却过程,通过实验测量LED对于电流阶跃的电压响应,定性分析了LED加热曲线和封装结构的关系,并根据RC网络模型对测量结果进行拟合,从LED的加热曲线中定量提取出了被测LED系统的热阻热容参数,成功得同ETM实际测量值、实际的物理模型及其理论计算值相匹配。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-20
  1.1 课题背景简介  9-11
  1.2 LED工作状态下结温的测量方法分类  11-12
  1.3 JEDEC关于LED结温电学测量方法的标准  12-17
    1.3.1 K系数定标  12-13
    1.3.2 LED稳定工作时的结温测量  13-15
    1.3.3 实际测量中的非理想因素  15
    1.3.4 LED结温测量中的加热与冷却效应  15-17
  1.4 LED正向偏压关于正向偏置电流阶跃的响应曲线  17-19
    1.4.1 LED系统的RC网络模型  17-18
    1.4.2 T3STER  18-19
  1.5 本文主要研究内容  19-20
第二章基于KEITHLEY S2400源表的实验平台及实验  20-32
  2.1 实验平台  20-21
  2.2 实验方法  21-23
    2.2.1 K系数测量方法  21
    2.2.2 结温测量方法  21
    2.2.3 不同测量电流下的K系数与结温测量  21
    2.2.4 电压加热曲线测量  21-23
  2.3 实验结果与分析  23-31
    2.3.1 LED在测量过程中的加热和冷却  23-24
    2.3.2 不同测量电流下测得的K系数  24-25
    2.3.3 不同测量电流下测得的结温  25-26
    2.3.4 不同采样频率下测得的K系数与结温  26-27
    2.3.5 不同器件的加热曲线  27-28
    2.3.6 同一芯片不同封装的加热曲线  28-29
    2.3.7 不同封装阶段的加热曲线  29-31
  2.4 本章总结  31-32
第三章基于NI5922数据采集卡的实验平台及实验  32-64
  3.1 实验平台  32-34
  3.2 实验方法  34-59
    3.2.1 理想的LED电压响应曲线的获得  34-51
      3.2.1.1 采样频率的选取  34-35
      3.2.1.2 电流过充的补偿  35-37
      3.2.1.3 动态电阻的研究  37-43
      3.2.1.4 快速开关电路  43-45
      3.2.1.5 S2400上升沿对LED的加热  45-48
      3.2.1.6 切换时间的补偿方法  48-50
      3.2.1.7 时间零点的计算  50-51
    3.2.2 K系数测量方法  51
    3.2.3 结温测量方法  51-52
    3.2.4 热阻的测量方法  52-59
      3.2.4.1 ETM测量结温的方法求热阻  52-53
      3.2.4.2 电压响应曲线拟合的方法求热阻  53-59
  3.3 实验结果与分析  59-64
    3.3.1 不同测量电流下的测量结果  59-60
    3.3.2 不同采样频率下的测量结果  60-61
    3.3.3 热阻测量结果与分析  61-64
第四章总结与展望  64-67
参考文献  67-68
致谢  68-69
研究生期间科研成果  69-70

大功率LED器件的热学研究

内容摘要

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