研究内容、方法、技术路线

项目研究开发内容、方法、技术路线一、半导体照明路灯主要研究内容1、灯具系统的结构、热性能设计LED的工作工况和散热不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率，而且还关系到LED的使用寿命。

又因为在户外使用的道路灯具，应具有一定等级的防尘防水功能（IP），良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。

解决这个相互矛盾但又都得解决的两个问题是道路灯具设计时应关注的一个重要方面。

在这一方面也是国内把LED应用于道路灯具中时出现不合格及不合理的情况最多的。

国内目前使用中出现的不合格及不合理的情况基本有：对LED采用了散热器，但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到IP45及以上等级，无法满足GB7000.5/IEC6598-2-3 标准的要求。

采用普通的道路灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED,这种设计虽说能满足IP试验，但是由于灯具内的不通风会造成在工作时，灯具内腔的温度会升高到50℃~80℃，在如此高的工况下，LED的发光效率是不可能高的，同时LED的使用寿命也将大打折扣。

在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热，其进风口设计在灯具的下方，以避免雨水的进入，出风口设计在下射LED光源的四周。

这样也能有效避免雨水的进入，另外散热器和LED（光源腔）不处于同一空腔内，这种设计如做的好，按灯具的IP试验要求，能顺利通过。

这一方案，不仅解决了LED的散热问题，而且同时满足了IP等级的要求。

但是这种看似良好的设计，实际上存在明显的不合理情况。

因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合，空中的飞尘量是较大的，有时会达到很大（例如起沙尘暴），这类灯具在一般条件下使用一段时间后（约三个月至半年），其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，使散热器效果大打折扣，最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短。

这一方案的不足是在于不能持久良好地使用。

在灯具内关键的散热位置，采用导热板。

导热板是在金属板的内部，均布有供冷媒流动的细导管，并在细导管内充有冷媒，当导热板的某一部位受热时，细导管内的冷媒会快速流动而使热量迅速地传导。

好的导热板的热传导系数可以达到同厚度铜材板的8~12倍，虽性能好但是价格较高，不适合产业化操作，成本及后期环保回收等操作上有很大困难。

把灯具的外壳设计成散热器状。

目前大部分的道路灯具外壳是铝材的，直接利用灯具外壳外面作为散热器既可以保证IP防护等级的要求，也可以得到很大的散热面积，另外，灯具外壳组成的散热器在有落尘时，可以通过自然的风雨而冲洗，从而可保证散热器工作的持续有效性。

在成本及后期环保回收等操作上还有很大的操作余地，这是产业内结构、散热技术重要突破的一个方向2、LED灯的光效、显色性、光率、封装可靠性技术。

目前白光LED普遍使用发蓝光LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉，合成为白光。

由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱，所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题，不符合普通照明要求。

人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，对照明而言，光源的显色性往往比发光效率更重要。

所以加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要的课题。

另外在材料上、LED的封装上要使灯在一定的使用条件下灯工作的光率特性要在合理的技术性能。

3、灯具系统的二次光学设计目前LED在道路灯具中使用的最普遍形式主要有两类，一类是采用传统的道路灯具外壳，只是在灯具内，在一个几乎是平板的安装面（也是反光面）上，装上了矩阵式的LED，这种设计方式是不可能得到良好的灯具配光的。

另一类是把多个LED集成在一个圆形的区域内（区域直径大约为30mm~40mm），使这一小区域的光输出密度接近高强度气体放电灯，再利用灯具反射器进行配光，但这种设计方式的灯具分布光度也不会优于传统的道路灯具，并且由于在一个很小的区域内集成了高密度的LED，使LED的散热情况明显不良，不仅影响到LED 的发光效率，而且也往往影响到LED的使用寿命。

目前照明用LED的最大特点是具有定向发射光的功能，目前功率型LED几乎都装有反光杯或透镜，但这类配光存在以下几类问题。

（1）透镜的配光特性和出光效率受到很大的限制，在均匀度上、色斑效应都很难处理。

（2）反光杯的配光特性虽好但也受到很大限制，在产品的耐候特性上性能很不稳定，通常只适合于室内温度条件、盐雾条件不高的场合。

如要处理上述两种产品的短处，目前市场化成本都很高。

采用LED的道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光的特性，使道路灯具中的各个LED分别直接把光线射向被照路面的各个区域，再利用灯具反射器的辅助配光，来实现很合理的道路灯具的综合配光。

应该说，道路灯具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115标准的照度和照度均匀度要求，灯具采用专用一次配光良好的LED灯。

在灯具内，再按照路灯具高度及路面宽度设计各个LED的安装位置和发射光的方向实现良好的二次配光功能。

来保证道路照度更好的均匀度。

这应该是产业LED灯的重要技术突破路线。

4、电源、电路与灯具集成的设计LED对驱动电路的要求是能保证恒流输出的特性，因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小，所以保证了LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED 输出功率的恒定。

对于我国电源电压供应不稳定的现状，道路灯具LED的驱动电路具有恒流输出特性是十分必要的，可保证光输出恒定并且防止LED的超功率运行。

要想使LED驱动电路呈现恒流特性，从驱动电路的输出端向内看，其输出内阻抗一定是高的。

工作时，负载电流也同样通过这一输出内阻抗，如果驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流源电路或通用的开关电源加电阻电路组成，在其上必定也消耗很大的有功功率，所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出的前提下，效率是不可能高的。

正确的设计方案是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED，采用上述两种方案可以使驱动电路在保持良好的恒流输出特性的前提下，仍具有很高的转换效率。

目前我国的道路灯具，基本都采用HID光源加配触发器和电感镇流器的模式，这一模式虽说存在能效较低及频闪的问题，但其可靠性是很高的。

而采用电子驱动电路的LED灯具，在野外照明场合使用时，威胁其可靠性的一个重要方面是雷电感应问题。

众所周知，空中的闪电发射的是一广谱的无线电波，而架空的道路灯具供电线路，是良好的接受无线。

两根电源线接收的同一闪电发出的无线电波，对驱动电路来讲是属于共模干扰信号，这种共模干扰对地可达数佰伏到数千伏，很容易击穿驱动电路内的EMC接地电容或较小的对地（对外壳）的电气间隙，造成驱动电路的损坏。

另外由于我国的供电线路是三相四线制中性线接地的极性电源，所以在两根架空供电线的各段，在感应到闪电的无线电波的瞬间，由于两根供电线对地的瞬时阻抗不同而使两根供电线间产生一个差模的干扰电压，这一瞬时差模干扰电压也可达到数百伏至3000多伏，这一电压往往会击穿驱动电路的电源整流二极管和印制线路板上的不同极性电极间的电气间隙，同样会使驱动电路损坏。

要解决这一问题，必须在LED的驱动电路中的输入端，并接快速响应的压敏电阻，以保证差模干扰的泄放。

由于闪电的感应干扰是重复多次的，当干扰电压高时，压敏电阻瞬时导通泄放的电流可能很大，所以采用的压敏电阻不仅应具有快速的响应能力，还应具备瞬时导通数十安培的泄放能力而不损坏。

除了采用压敏电阻外，LED的驱动电路的输入端还应结合传导干扰（EMI）的防护，设计有复合的LC网络，使这些LC网络不仅能阻碍内部的EMI对电网的泄露，而且能对闪电的干扰信号起到明显的抑制作用。

还有，LED驱动电路各点对地的电气间隙应保持在7mm以上，EMI防护的接地电容以及驱动电路的对地绝缘强度，应达到强化绝缘（4V+2750V）的要求，这样能使LED的驱动电路具有良好的抗差模和共模雷电感应的能力。

5、系统的可靠性LED的封装技术是目前LED的技术瓶颈，LED技术的发展可以从两个面来说明。

（1）芯片技术的发展，芯片技术主要是在功率密度、发光效率、抗静电指数、波段、光率、生产成本六大方面提升。

（2）封装技术的发展，封装技术主要是在封装工艺、热可靠度、热阻、出光效率、设备、生产成本六大方面提升。

目前我国的两大技术都处于滞后端，如果说真正把白光LED 推到主照明的平台上来，封装是其中的一项决定性因数。

作为LED可靠度验证上要从冷热冲击、热阻、耐候、回流焊接、抗静电指数、耐2倍电流冲击等多方面验证。

从目前技术发展来看，陶瓷封装、倒装焊接（HVQFN）应该是产业LED灯封装的重要技术突破路线。

LED封装的配套材料是目前造成光率大、可靠性不高等技术主要原因。

高可靠的透明硅胶透镜、荧光粉、银胶、LED封装支架等众多材料是LED生产中重点控制和技术把关的。

应该也是LED灯封装的重要技术突破路线。

电源是目前系统中起到致命因数的配件之一，一个适合于室外路灯环境的高可靠性、寿命长的电源是LED产品质量的关键。

简化元件、提高电转换效率、提高产品可靠性、智能化控制技术是目前所要攻克的一个重大项目。

结构材料上重点是灯具外壳的耐候性、生产制成中热、静电的防护及制成控制都是会造成系统可靠性降低的原应。

二、拟解决的关键技术1、灯具系统的结构、热性能设计灯具外型、散热一体化设计，有良好的热性能，使产品在常规环境下LED温度不超过60度、外观视觉性、环境可靠性。

2、LED灯的光效、显色性、光率、封装可靠性技术。

灯具整体光效提高到80LM/W，显色性达到Ra指数80以上，光率在常规环境工作达到50000小时/光率小于30%。

3、灯具系统的二次光学设计达到国家标准CJJ45-2006和CIE31以及CIE115标准的照度和照度均匀度要求。

4、电源、电路与灯具集成的设计电源转换效率达到90%，满足室外（路灯）环境可靠性要求，使用寿命达到5年（坏机率小于5‰），控制电路电路设计集中控制、标准模块化、系统可扩展性。

简化电路、更小体积，减少成本。

5、系统的可靠性。

室外（路灯）环境的抗感应雷击、抗电压波动冲击、-35℃～+50℃环境的温差冲击、太阳紫外线辐射等性能，达到产品5年以上的使用寿命。

三、拟采用的方法、技术路线及工艺流程1、灯具系统的结构、热性能设计有效的热性能分析、黄金分割线美工设计、借鉴产业钠灯结构成熟技术、散热灯具装饰灯具一体化设计、高品质的压铸模产品。

2、LED灯的光效、显色性、光率、封装可靠性技术。

与国际技术结构、国际化企业、院校、研究机构强强联手建立产学研基地、产业化联盟，建立有效的产品可靠性分析验证平台、拟定周密、技术过硬、可操作性的技术标准。

3、灯具系统的二次光学设计开发对应场所的高效、高可靠、一次配光透镜技术的LED产品，高可靠度、高效的二次配光（反光杯），研究开发对应得材料技术，使其产品的实用性。