发布时间 : 星期六 文章半导体光源在植物设施生产中的关键应用技术产业化更新完毕开始阅读
北京杰元世纪光电技术有限公司内部资料
半导体光源在植物设施生产中
的关键应用技术产业化
1． 目前植物组培、大棚叶菜、茄果及花木生产普遍采用500W、1000W的白炽灯、
荧光灯、钠灯、金卤灯甚至镝灯进行补光生产。不同的植物生长需要不同光谱的光源，这些光源的功率转换效率只有植物生长所需要光谱的0.1%～1%。其中含有很多植物生长无用的甚至有害的波长，它们的生理有效辐射能很低，能耗很大。
表：不同光源的功率转换效率
—————-引自Ferguson和徐志刚论文
输入功率转换为： 半导体光源 可见光辐射能 红外辐射能 紫外辐射能 生理有效辐射能 评价
半导体(LED)作为一种可用于生物的新型照射光源而日益受到关注,从表中看出LED光源产生的生理有效辐射能对植物生长的优势是很明显的。
这么好的LED光源为什么在补光生物中不能大规模推广呢？这要从LED本身说
白炽灯 5% 90% 0% ≦0.1% 最不适 荧光灯 23% 36% 0% ≦1% 较不适 金镥灯 27% 17% 19% ≦0.5% 不适 10%～12% 0% 0% 10%～12% 最适
起。LED是一种半导体固体照明，它光色纯正，发光效率高，体积小，重量轻，不怕振动破损后无污染，用于植物补光照射，它的生理有效辐射能数倍于传统光源。 2、LED的散热设计 2．1散热问题的长期性
目前，人们把主要的目光都放在了LED的流明数上，而对LED灯具的散热则给予了较少的关注，对∮3、∮5的小功率LED如此，对0.5W、1W的大功率LED同样如此，实际上LED流明数正在迅速增加。在刚刚过去的2006年，日亚已量产并供应市场的单W流明数也达到100LM/W，而且这一数值还在快速的增长。与之对应的传热学理论体系已经成熟。 我们可以使用的传热手段也基本明确：热传导、热对流、热辐射和相高传热（热管传热）。正因为如此，在传热和散热问题上，我们可以采取的措施是可见的、有限的。
根据光通量（流明）与辐射通量（瓦）以下的当量关系：
其中Km=683LM/W，是光通量的比例尺，是辐射量的比例尺，也就是说1W的辐射通量在最理想的情况下（黑体辐射）可能产生683LM/W光通量。
由此可见，即使在某一天LED的光效达到200LM/W，也仍然只有不到30%的能量转化为光能输出，而其余的都能转化为热能。按目前国内封装水平光通量公能达到50-70LM/W来看，能量转换效率只有9%左右，至多的能量都转化为热能，所以从长远看LED灯具散热问题将是一个长期存在的问题。 2．2 大功率LED灯的主要失效原因是热失效。
据统计，市场上购买的LED灯具的失效有60%是温度较高引起的，随着温度的增加，LED失效率呈指数增长趋势。
LED是一种半导体发光器件，其过程是电能向光能转变，调节LED的输入电流越大亮度越高，短时间内每W的流明值相对提升。当LED 的工作电流增大，芯片的结
温随着升高，结温升高对元件封装散热结构、电路都有不同程度的影响，最明显的表现特征就是流明值下降，等于光衰及色移。
实践表明：LED灯不能再加大输入功率的主要原因是由于LED在工作过程中会放出大量的热使管芯结温迅速上升。多个甚至数佰个大功率LED结合在一起使用，如果不解决LED芯片封装结温和灯俱的散热问题，LED会迅速失效或短时间产生光衰和色移。也会制约大功率LED大功率植物灯具的推广使用。
使之温度负载带来的另一个挑战是色移，即看见PN温度的变化，输出光线的波长会发出10nm以上的偏移。这一色移不仅会影响红、蓝的色点，还会影响植物灯混光后的波长，并影响植物的生长。为了从根本上解决长期使用中色移的问题，LED必须以较低的功率运行，以保持较高的热稳定性，否则对LED高发光效率的发挥无疑是不利的。
在这里还应注意一个主要问题：TJ=PN结处的温度，也就是芯片的核心温度，控制芯片的核心温度在规定的温度值内，散热器的设计至关重要，国际权威机构研究表明：大功率LED元件工作时，温度越低，可靠性越高。数据表明：TJ温度每升高3度，可靠性降低15%，结温每升高5℃，光衰增加10%。根椐这个原则，工作芯片的温度尽可能的低。
数据资料中的安全结温一般是65℃，设计中留有余地取63℃。
LED的散热问题也是影响LED驱动电流的提升的一个重要因素，因为电流不能上到额定值，光效也无法达到最高。 2.3
2.3.1 热管散热
这是一种外密封管内充填化学液体，当二流温度达到某一温度时，液体气化，将热量以气化的形式从一端传向另一端，管上的翅片帮助气化液体再流流回热端，再加
热气化，周而复始。
这种方法使热量迅速传出，靠自热热对流，结构复杂，体积大，不适合实际应用。 2.3.2 散热片处理
当LED元件功率较大依靠元件本身散热(封装及封底的热设计)并不能满足散热要时LED元件结温TJ会超出安全结温.此时需要按装全适的散热器,通过散热器有效散热,保证LED在安全结温之内,一般气体散热方式是由氢气对流进行热量传递散热,热阻很大,效率很低.散热器上的翅片不容易将LED的热量传出,在无风时效果更差.LED结温无法有效的降低到安全值.这种散热方式的途径:LED芯片结温(125℃左右)→LED封底→封装基板→散热器→再通过散热器长长的翅片由空气自然对流带走热量.这种方式把LED结温传递到空气中的途径使热阻大大增加,如果环境温度较高,又没有自然风,LED的结温实际上都超过其安全值,实际使用1000小时光衰能达到10-15%,这种散热方式简单,成本较低,在功率20W以下增大散热面积,对光衰无严格要求时使用. 2.3.3 一步法强迫冷却散热
LED的冷却方式就那么三种,在小功率使用还能凑合,如果需要在植物大棚的大面积推广使用时就需要将LED功率提升到10W、100W、300W、600W。只有这种功率才能使经济效益达到较高。能否解决大功率的散热是LED能否真正成为有效照明及光组合的关键。
一步法强迫冷却散热有以下几个特点：
A．LED芯片与散热板直接封装，热阻Rθ=0.9