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国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项“高效高可靠LED灯具关键技术研究”项目进展
发稿时间:2018-03-10         作者:周文斌          来源:传热传质研究中心     【字号:

一、项目概述

  随着各类LED 灯具技术日趋成熟,在人民生活中的重要性日益增强,大功率照明灯的市场也在不断扩大与发展。传统大功率灯具具有能耗大、光效低、寿命短等缺点,亟需大功率高功率密度LED 灯具来替代,满足市场需求。然而,目前LED 芯片的输入功率偏低,只有15-30%转化为光能,其余均转化为热量,而高发热量的累积会造成LED 芯片结温升高,使得发光谱线漂移、光效降低、寿命缩短。因此,散热是大功率高功率密度LED 器件设计和制造中的关键瓶颈问题。 

  目前,市场上常见的型材散热及热管等技术的散热能力十分有限,难以实现大功率高功率密度LED 的高效、高可靠热管理。此外,大功率LED 驱动电源的无电解电容方案还处在起步阶段,未见批量产品应用,限制了大功率LED 驱动电源寿命的提高。 

  为了解决大功率高功率密度LED 灯具热管理难题,突破电源耐高温长寿命瓶颈,提升灯具系统光效及可靠性,实现产业化应用,产生显著社会经济效益。由中国科学院工程热物理研究所作为项目牵头单位,联合中国科学院半导体研究所、长春希达电子技术有限公司等23家单位共同申报的国家重点研发计划战略性先进电子材料专项项目——“高效高可靠 LED 灯具关键技术研究已于20178月获得国家科技部立项支持,项目总预算经费5127万元。 

  该项目面向大功率LED灯具的高光效和高可靠性问题,以热管理技术和热管理材料的研究为主线,系统开展新型光学材料、结构设计、封装技术和高温长寿命驱动电源技术研究,致力于大幅提高大功率灯具的光效和可靠性,使光品质满足国家照明设计标准,同时期望基于该项目创新技术形成亿元规模经济效益,显著提升我国大功率LED灯具的产业化水平。 

二、项目年度进展情况

  项目自开展以来,取得了多方面进展: 

  1.研究了高功率密度大功率 LED 光源封装技术,建立了基于模型的光源总功率、功率密度、发光效率、芯片封装尺度的数量关系,制作了200W高功率密度光源的初步样品;在150℃服役条件下,荧光量子效率是室温的86%以上,批量制备出直径35mm50mm×50mm的荧光透明陶瓷样品,直径50mm的透明陶瓷正在制备中。 

  2.进行了新型高导热界面材料的研究,热界面材料热导率达到8W/m×K;进行了低膨胀系数高热导率基板与微槽群热沉相结合的光热一体化技术的研究,制备了光热一体化光源,能够有效降低芯片结温;进行具有高热稳定性、高量子效率的宽光谱新型块体荧光转换材料(单晶/玻璃)的研发,完成了一系列晶体、光源、样品的研究。 

  合成得到了性能优良的YAG:Ce3+荧光粉,该产品可被450460 nm蓝光有效激发,量子效率高于90%,热淬灭性能优良,150℃(423 K)时的荧光强度大于室温时的90%;合成得到了(Sr, CaAlSiN3:Eu2+1113型)系列氮化物红粉,该产品可被蓝光芯片有效激发,该型荧光粉搭配YAG黄粉或者GaYAG黄绿粉,结合蓝光芯片进行封装,可以实现80以上显色指数白光LED;研究了碳化硅颗粒尺寸及混杂碳化硅颗粒对多孔碳化硅陶瓷性能的影响,在多孔碳化硅陶瓷研究方面取得了一些工艺以及关键技术的突破,实现了高性能多孔碳化硅陶瓷的制备,初步开展了多孔碳化硅/Al复合材料制备工艺研究。 

  3.建立了超大功率LED照明研究理论模型,确定了超大功率LED灯具的光源、光学结构、散热器、电源各级组件方案和整体灯具的光电热系统集成热特性的基本方案;研制出了超大功率照明产品的光学配件及系统(其光束角在7-8°,光学效率>80%);对整灯系统的光学特性进行了实验与理论研究;建立了千瓦级照明产品特性的光电集成式实验平台。 

  4.在水凝胶主动冷却循环使用的可靠性和疏水特性方面进行了实验与理论研究;建立了可进行重复性测试的实验的大功率LED照明系统测试平台,测试水凝胶配方/厚度因素对LED出光面的温度冷却效果;器件的功率达到千瓦级别,热流密度达到60W/cm2时,项目提出的散热管理方案通过主动相变散热技术其热管理控制可保证芯片温度的长时间稳定在100℃以下且器件的出光品质不发生明显波动。在稳定工作温度下器件的寿命可较背面散热管理的LED器件得到明显提高。 

  开发了基于金属或者陶瓷载体的封装技术,重点解决了芯片与电路板的热应力匹配、焊接封胶批量化生产过程中的一致性和质量保证等技术难点,有效地解决了散热问题;在中大功率LED灯具(200W)设计方法方面,通过使用光学模拟软件,建立了LED灯具光学设计模型,通过非成像光学进行二次光学设计,获得了灯具的最佳有效光效。目前,已开发出了多种满足道路,隧道、工矿等场所使用的中大功率LED灯具样品系列(LED路灯、LED隧道灯及LED工矿灯等),其灯具光效达到了130lm/W。随着市场推广工作的不断深入,项目研发产品已进入小批量试生产阶段;建立了中大功率散热灯具模型,在满足户外照明场所的要求下,TJ温度控制在90℃以下。对二次光学进行设计研究,初步模拟数据满足户外照明场所的要求。目前,灯具发光效率已达到130 lm/W,光品质符合国家照明设计标准要求;在环境35℃下燃点1500h,灯具光通维持率和中心光强维持率≥92%。 

  5.广泛收集资料、调研国内芯片技术,对方案进行严谨认证,通过对方案计算多方优化,基本确定样机外形、初步技术指标;深入分析大功率LED驱动电源在目前应用中存在的问题,特别是针对主要发热元件、效率分布、高效变换拓扑、新散热技术做深入研究,开展理论分析,确定了初步的技术方案,完成了既定的研究内容。 

  顺利建立了计算模型和通用设计开发工具,取得理论上的计算结果,完成了既定的理论研究,确定了初步的技术方案,并完成了既定的研究内容。认真完成了对高效新磁芯材料的初步应用研究;针对新型高温长寿命DC-DC变换器的拓扑结构进行了研究;完成了谐振型DC-DC变换器的仿真分析;完成PFC&LLC 变换器设计优化计算书一套。 

  迄今为止,项目共申请7项国家专利,其中发明专利5项、实用新型2项;发表5篇学术论文,其中SCIEI收录4篇;取得5项新技术、工艺和方法;研发19项新产品、新装置,已示范5项。 

 
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