正向电压法测量LED灯丝灯的结温

摘  要：LED灯丝灯由于无法在真空密封玻壳内的灯丝上设置参考温度测量点，其结温的快速测量是一个难题。本文介绍了采用正向电压法测量结温的原理、LED灯丝灯的结温-正向电压曲线的标定过程和正常工作时结温的测量。结果表明，LED灯丝灯的结温一般可达100~120 ℃，漏气后结温可升高近40 ℃，对灯的寿命影响很大。还讨论了电源电压波动对结温的影响。
关键词：LED；灯丝灯；结温；正向电压法；漏气

1. 引言
随着时间的推移，LED灯丝灯在技术上已经逐渐成熟稳定。灯丝灯之所以能够兴起，其最大的亮点就在于它与白炽灯几乎一样的形态，LED灯条与白炽灯钨丝远看几乎一样，用LED灯条做成的普泡形灯泡，不需加透镜既能实现全角度的照明，使人有回归了白炽灯时代的感觉。LED灯丝灯具有多项应用优势，随着成本逐步降低，产品价格不断下滑，LED灯丝灯也获得普及的机会，进入未来LED照明市场主流产品行列。今天的灯丝灯技术，虽然已经有行业先驱们多年来的投入，为后来者铺平了前进的道路，但在技术上一直饱受散热问题的困扰，具体表现为光衰快、功率无法做大，这也就注定了市场发展受到限制，难以适应更多的应用场景。

LED结温是影响各项性能指标的主要因素，结温较高是引起光衰和使用寿命缩短的关键原因，而这些参数对普通照明而言都是极其重要的照明质量评价指标。对LED结温的测量和控制，是LED进入照明领域不可缺少的重要步骤。要改善LED的温度特性，首先要解决结温的有效、准确和便捷的测量。通过测量灯丝灯在额定温度条件下或者在规定的使用环境条件下的LED结温，这不仅能客观地评价其散热设计是否合理，而且可优化设计、改善制造工艺和提高生产效率，对获得预期寿命有重要意义。灯丝灯把LED灯条密闭在充有气体(通常为热导率高的氦气)的玻璃球泡内，仅有正负极两根导线引出密封玻壳外与驱动电源相连。灯丝灯点亮后主要依靠玻壳内气体的对流把LED灯条产生的热量散发到玻璃泡壳，再通过玻壳跟空气的对流散热，以达到降低和控制LED灯条P-N结温度的目的。用什么方法测试LED灯条结温？通常LED结温测量或计算方法有管脚测温法、热成像法、电压法等。显然，因为很难把热电偶放入到密闭的玻璃球泡内的灯条上，因而不能使用管脚测温法测温推算出结温；因中远红外光无法透过玻璃外壳，不能用红外测温仪或红外热像仪探测到LED灯条表面的温度，热成像法也不能使用；而电压法则可以解决测试的难题，用以电压法为测试原理的上海力汕TRS-1000光色电热综合测试系统，完全符合LM-80标准。测试了大量不同公司生产的功率各异的多款灯丝灯的结温。表1为近期测试的部分灯丝灯样品的电参数和结温数据。

2. 正向电压法测量结温的原理
正向电压法测量半导体结温源于电子工业联合会电子工程设计发展联合会议发布的标准。电压法是利用LED的P-N结电输运的温度效应，通过一个特定电流测量LED被工作电流点燃下的正向电压来确定结温。在输入电流恒定的情况下，许多半导体器件的结电压与温度有良好的近似线性关系，且随着温度升高，两端结电压降单调减小。电压法是首先用较小的定标电流I_C (此电流的选择至关重要，可取值伏安特性拐点处的电流，例如取典型值1.0, 5.0 mA)，分别测量置于恒温箱中的被测LED在多个不同恒定温度点对应的结电压V_F值，由此得到该LED电压与温度的函数关系，即电压温度系数K值，单位是mV/℃。接着用工作电流I_F点燃LED，使LED处于正常工作状态。每隔一定的时间断开工作电流I_F，直到工作条件下的LED内部达到热平衡态时，迅速切换到定标电流I_C，并快速测出此时LED的结电压V_F。测量中，P-N结既是被测对象，同时也是温度传感器，温度的变化通过P-N结正向压降值输出，计算机取数插入到K系数T_j-V_F曲线函数，可以计算出此时LED P-N结的结温。

3. 灯丝灯的结温–正向电压曲线的标定
LED照明灯具是集成了半导体、机械结构件、光学器件和驱动器在内的系统产品，各部件的热特征都将对产品的综合性能产生一定的影响。特别是一体化的灯具产品，在比较小的空间中LED封装器件和驱动器发出的热量会相互影响，灯具产品的不同散热设计和安装形式都将使灯具内的LED封装器件处于不同的温度环境中。因此，不能简单的以LED封装器件的基本参数去评估LED灯具的结温。必须以完整的灯具形式，使用灯具自身的驱动器，并使之处于工作状态下才能比较客观的反映其系统热状态水平。

K系数标定是准确测试结温的关键，必须保证有足够的时间使样品达到热稳定，就是使LED的P-N结温度与热电偶测到的温度一致，热稳定时间设定可以根据被测样品灯具体积的大小确定，当体积较大时可以适当加长稳定时间(建议采用上海力汕TRS-1000自动判断功能)，阶梯式加温的控制曲线见图1。

图1 阶梯式温度控制曲线

LED灯丝灯的灯条一般由多颗LED芯片串联并集成封装而成，多根灯条采用串联或并联的方式固定在真空密封的玻璃泡壳中，不能分割成单个LED灯条，只能把所有LED灯条当作一个整体测量。对成品LED灯丝灯，需把驱动部分与封有LED灯条的玻壳脱开，然后分别从驱动和玻壳的正负极引出四根线，以便接入到测试设备，在球泡上任意位置粘接一个热电偶，并把热电偶连接到测试仪上。

定标时，把LED灯丝灯玻泡放入恒温箱内，LED正负极分别引入到测试设备上海力汕TRS-1000对应的接线端，在灯具不通电状态下，加热箱采用阶梯加热方法对箱体内LED灯丝灯泡进行加热，通过粘接在灯丝灯玻璃球泡外表的热电偶采集恒温箱温度，在一段时间内连续采集到的恒温箱温度波动小于某一范围后，更进一步把样品LED当作温度传感器，再连续测量P-N结正向压降的变化量。当变化小于某一范围时，可判断P-N结温度趋于热稳定，即LED灯条内部已受热平衡，此时灯条上LED的P-N结温度基本等于玻壳泡上热电偶测得的温度。

图1中，T₁等于LED的结温T_j1，可开始T1时的V_F测量，给LED输入一定标电流I_C，(根据LED功率、规格型号的不同，I_C在满足测量要求的前提下尽量小)，测量出LED在这一温度下的正向电压V_F. 当完成温度T₁的V_F测量后，加热箱进入新的温度设定点T₂，经过恒温阶段，灯具内LED达到新的热平衡点时，又开始重复上述的测量步骤。如此重复，直到完成所有设定点的测量。在每个温度阶梯施加的测试电流IM，必须保持一致。在不同加热阶梯采集到的温度T_n对应的V_Fn值，经拟合形成T_j-V_F曲线(K线)被保存在电脑数据库，如图2。

                                                                                  图2 灯丝灯的Tj-VF定标曲线

4. 灯丝灯结温的测试结果
把完成K系数标定的玻泡移出恒温箱后，复原LED灯丝灯的整灯样式，即把玻壳端的正负极引线和驱动电源侧输出正负极引线分别接入到测试主机对应的接线端。按规范将LED灯丝灯放入到防风罩内或在无对流风影响的环境内。接通输入电源，开始结温测试，并同时监测环境温度。从电源接通灯被点亮开始，到热稳定结束的整个过程中，每间隔一定时间采集一次V_F值，把采集得到的V_F值插入到图2的T_j-V_F曲线中，读出对应的结温T_j，在电脑界面上可以看到一条结温随时间连续变化的曲线。

图3为一测量实例，在环境温度为29 ℃室内无风情形下，从计算机中调用已标定的K系数曲线。灯泡点亮后(第一时段)，灯泡内LED结温逐步升高，到达稳定时结温读数为121.3 ℃(见图3)。此时，人为地破坏抽气管封口，使玻壳内气体与空气自然交换，这时可以看到结温曲线发生变化，开始缓慢上升，逐渐达到新的热平衡，结温为159.5 ℃(第二时段)。粘在玻壳表面的热电偶在正常充气状态下测得的温度为40.8 ℃，而漏气状态下的温度为46.3 ℃，仅升高5.5℃。从实验结果可以看到，灯发生漏气后气体交换的过程很缓慢；灯泡漏气后LED的结温极高(接近一般蓝光LED芯片的失效温度160 ℃)；这反映出填充气体(一般为导热率很高的氦气)对散热的作用非常明显；而玻壳表面温度升高的幅度(5.5 ℃)远低于灯泡内灯条结温的升高(38.2 ℃)。

图3 温度随时间变化的曲线

在热特性分析中，驱动器电源电压变动对结温有直接的影响。由图4可见，在环境温度28.3 ℃情形下，模拟市电电压波动改变LED灯丝灯泡的输入电压220 V ± 10％，观察在达到热平衡时结温的变化状态，在输入电压为198, 220, 242 V时对应的结温分别为106.6, 121.7, 137.9 ℃，其造成的结温波动在实时动态图中一目了然。这说明一般的灯丝灯因为没有恒流措施，电压波动对结温的影响非常大。如果电网电压在夜间波动大，灯丝灯应该预留更大的结温上升余量，否则长期工作在结温过高的状态下，灯丝灯很可能早期失效。

图4 结温随电源电压波动的变化

4. 结论
根据LED正向电压随温度变化的原理，在LED灯丝灯正常工作过程中测量其结温，使用上海力汕TRS-1000输出实时、连续结温曲线，利用整灯结温测量方法和结果指导优化散热设计，分析玻壳内气体的成分和压力等对降低结温的影响。通过玻壳排气管改变气体的成分、配比和压力，测量结温的动态变化曲线，可快速、直观地反映出试验效果，这对新产品研发具有促进和帮助作用，可以快速评估设计改变后对降低结温的效果。如能把结温测量的概念引入到工艺、制造、品质管控中，在制造过程的重要质量控制点，如充气是否正常、是否存在漏气等，进行在线检测，保证工艺流程得到贯彻，可提高装配线半成品的合格率，减少成品供货后的售后服务。

LED整灯结温测试方法，为设计、工艺、制造、品质提供了非常有效的检验手段，为LED光源和灯具突破技术瓶颈，达到优化散热、减少光衰、降低成本、规避风险的目的提供了可靠保障。

参考文献
[1]    JEDEC Standard EIA/JESD51-1. Integrated Circuits Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semi- conductor Device) [S], 1995.
[2]    Xi Y, Schubert E F. Junction–temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method [J]. Applied Physics Letters, 2004, 85 (12): 2163−2165.
[3]    CALT 001-2014, LED 灯具内LED 结温的测量方法[S].
[4]    陈献亚, 张新光, 杨远礼, 等. 正向电压法测量LED灯具的结温[C]// 2015中国LED照明论坛论文集. 上海, 2015, 238−241.