如何采用半导体制冷技术来降低大功率LED照明的工作温度

绿色环保时代的来临对能源的高效率利用提出了更高的要求，照明技术作为最早推动电网建设的民用技术，同样也正在进入一个由传统的热光源照明转向以LED等高效节能技术为主导的冷光源照明时代。大功率LED工艺及其驱动技术无以将是这场变革中的核心技术。对于大功率LED的驱动及LED本身的工艺，业界已经有了许多探讨，相关产品及方案也正如雨后春笋般出现在市场上。然而困扰着所有LED从业人员的依然有两大关键问题尚未能完美解决，其一为LED生产及其驱动电路的制作成本，相对于传统照明系统而言略显高昂，另一个问题就是LED本身的发热及散热问题始终是目前困扰开发人员的最大难题。相对而言，成本问题会随着技术的进步和成本控制的优化逐步可以得到解决，而LED的散热问题则成为了目前阻碍LED技术推广的主要瓶颈。本文所介绍半导体制冷技术并不是一种近期新兴的技术，但是将其与目前的大功率LED照明相结合，特别是应用在功率输出极大的特种领域，将能非常有效地降低LED工作温度，有效地延长LED使用寿命及改善发光亮度和显色性等问题。

所谓半导体制冷是指通过半导体器件来实现温度冷却，从而有效控制半导体周围环境温度的技术。传统制冷技术是通过卡诺热机的原理，利用制冷剂的多态循环来实现温度的控制，因卡诺热机结构复杂且需要压缩机等部件，使得传统制冷设备的体积往往非常庞大，一般都是用于大型电器设备上。而半导体制冷相比于传统制冷设备有着体积小，无运动部件，制冷温度精确可控，设备简单等优点。特别是结构简单且体积小这项优点，极适合于将其应用于小型电子设备中，实现对设备关键部件的降温，使关键部件可以工作于最佳的温度状况中。

半导体制冷又称热电制冷，是一项早在20世纪50年代就开始发展起来的技术，其基本原理基于五大热点效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅利叶效应。 目前所讨论的半导体技术一半都是基于珀尔帖效应的。

珀尔帖效应是1834年由法国科学家珀尔帖发现的。他曾经通过实验发现由N、P型材料组成得一对电偶，当通入直流电流后，因电流通入的方向不同，会在电偶结点处产生吸热和放热现象，其原理可解释为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它们从高能级向着低能级运动时就会释放出多余的能量，表现出放热；反之当他们从低能级向着高能级运动时，就会从外界吸收能量，表现出吸热制冷的效果。在半导体中，当电流由N结流向P结时，就会产生吸热现象，而当电流从P结流向N结时就会产生放热现象，这种现象就称之为珀尔帖效应。根据此原理所做成的珀尔帖效应热泵，就是利用P型和N型半导体粒子按照一定的规则排列，将它们用金属连接片焊接成一个电偶对，接上直流电源后将电流从N极流向P极的那端作为冷端，用于制冷，而将P极流向N极的一端作为热端，用于放热。本质上，该器件就是一个将热量从一端移动到另一端的能量泵。其原理如图1所示

图一

       目前国内较为常用的P型和N型制冷半导体材料为以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。图二a和图二b分别为一个常用半导体制冷模块的实物照片。
 

图二a 正视图

图二b 侧视图

一般来说半导体制冷器件的体积可以做得很小，相比于传统压缩机的制冷技术，可以更方便地用于对电子电气设备的降温，且制冷器可以做成各种形状的贴片结构，贴附在芯片等关键发热元件的表面，以实现散热降温的效果。其实这一技术在一些特定领域已经有了一些广泛的应用，比如曾经有PC机的超频爱好者，利用这种结构的半导体制冷器，将CPU满负载时的表面温度降到了－3摄氏度，从而使得CPU的工作主频顺利升到了正常水平的50％以上。

如果用半导体制冷器件对特大功率的LED进行降温，也同样可以达到优化LED工作状态的效果，从而延长LED的寿命，改善LED发光的色温及一致性等问题。对于大功率LED照明来说，70％以上的故障都是由于LED温度过高所导至的。LED结温的升高会导致器件各方面的变化与衰减，这种变化主要体现在三个方面：一，减少LED的外量子效率；二，缩短LED的寿命；三，造成LED发生光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。其中器件的外量子效应是与LED光效直接相关的量，外量子效率的下降会致使LED光效的降低。随着LED结温的上升，白光LED发光的主波长会向长波方向移动。图三ab所示分别为LED结温与光效率的关系及结温与LED寿命的关系。

 

图三a
 

图三b

       当LED的结温达到125摄氏度以上时，LED的发光效率就会显著下降，故障率较之100摄氏度时会上升两倍以上。一般情况下，当LED在额定功率一半以上工作时，温度每升高20度，故障率就会提高一倍。 而通常照明LED为了提高散热的效果，会将多颗LED以一定间隔排列，这又会导至LED的聚光效果不够理想，影响了照明的效果，降低了总体发光效率。通过给大功率LED的铝基板增加半导体制冷功能，将LED的发热由制冷模块快速地传递到另一端，同时对另一端进行散热，就能有效地降低LED工作时的环境温度。该基板结构可以做成如下图四的形式：
 

图四

       该基板还能根据具体应用的需要做成各种形状，如筒状或者抛物面型等。这样可以更有效地将多颗LED的位置进行光学优化分布。从前文的图三中可以看出，如果将LED的环境工作温度始终保持在100度以下，那么其光输出效率和寿命将比125度以上工作环境下有大大地改善。这种改进对于有超大功率应用如汽车前灯照明，路灯照明等领域有着特别显著的实际意义。