特殊结构LED在飞机驾驶舱中的应用测试及结温测试

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.05MB 55 页 15积分

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摘要

LED 自从 20 世纪 60 年代问世，在这短短的 30 多年里，LED 就取得了飞速

发展。LED 光源与传统光源相比较，具有如下的优点：（1）超长寿命；（2）结

构坚固,具有极高的抗震性能；（3）响应速度快，光通上升时间短；（4）对点灯

线路要求低；（5）高效节能，现有光效已超过白炽灯，理论光效可达

200lm/W；（6）不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。

最近，航空工业已经逐渐地意识到了荧光和白炽灯光源在驾驶舱应用中的局

限性，正在开始向 LED 背光源技术倾斜。LED 有效解决了驾驶舱显示中很多挑

战性技术，例如稳定性增加、维护减少、可视性改进。航空工业已经意识到 LED

在驾驶舱中的应用前景。然而因为采用荧光转换设计的 LED 的输出性能在很大程

度上依然取决于荧光粉的发射特性。所以，发展能够有效满足航空夜视 NVIS 的

夜视兼容 LED 已经成为当务之急。本文着重阐述了一种新型的 LED，能满足航

空照明的需求。

同时，近来又有一种新型 LED 也在被人们关注，那就是交流 AC-LED。由于

日常照明使用的电源普遍都是高压交流电（AC 100V～220V），所以必须对这样

的高压交流电使用降压技术来获得较低的电压。常用的是整流器或开关电源降

压，然后再将交流电转换成直流电，再转换成直流恒流源才能使 LED 光源发光。

据估算，直流 DC-LED 在交流、直流电之间转换时约有 15%～30%的电力被损

耗，使系统的效率很难做到以 90%上。但是如果能用交流电直接驱动 LED 光源

发光，如此系统应用方案将会大大简化，系统效率将会很轻松地就能够达到 90%

以上。但是，对于交流 AC-LED 的一些性能的测量却一直未能被众人所熟知。例

如结温的测量。结温是影响 LED 性能的一大关键参数。了解 LED 的结温对于

LED 的应用有着很大的帮助。所以，准确测量交流 AC-LED 的结温将会对其在实

际生产应用中产生巨大的影响。而本文的另一重点就是利用脉冲法来对交流 LED

的结温进行测量。

关键词：LED 量子点夜视交流驱动结温测试

ABSTRACT

Since LED came out in the 1960s, LED has achieved a rapid development in this

short 30 years. Compared with the conventional light sources, LED light source has the

following advantages: (1) Long life. (2) Solid structure. (3) Fast response time. (4) Low

requirements of the driving circuit. (5) High energy efficient, more than the existing

incandescent light efficiency, the theoretical luminous efficiency is up to 200lm/W. (6)

It doesn’t contain mercury lead and hazardous. No pollution.

Recently, the aviation industry has been gradually realized that the limitations of

the fluorescent and incandescent light using in the cockpit applications. It is beginning

to tilt to the LED backlight technology. The LEDs solve many technology challenges in

the cockpit display, such as increased stability, reduced maintenance, visibility

improvement. Aviation industry has been aware of the LED application in the cockpit.

However, the output performance of the LED is still largely depends on the phosphor

emission characteristics. Therefore, the development of the LED which can effectively

meet the aviation night vision system (NVIS) has become a top priority. This paper

expounds a kind of new type of LED, can satisfy the demand of aviation lighting.

At the same time, there has been a new type of AC-LED is also concerned. As the

daily lighting are generally used in high-voltage alternating current power source (AC

100V~220V), so it is needed to use step-down technique to obtain a lower voltage. It

commonly uses step-down converter or switching power supply. Then convert the

alternating current (AC) into direct current (DC) to light the LED. According to the

estimate, there are about 15% to 30% of electricity is lost while converting between the

AC and DC which is hard to make the system efficiency over 90%. However, if an AC

can be used to drive the LED directly, such a system efficiency will easily reach 90%.

But the measurement of the AC-LED has not been able to be known by people, such as

the junction temperature measurement. The LED junction temperature is a key

paramount. Knowing the AC-LED junction temperature will make great help to the AC-

LED application. Another part in my paper is to use pulse method to measure the

junction temperature.

Key Words：LED, Quantum Dots, Night Vision, AC Drive，Junction

Temperature Measurement

中文摘要

ABSTRCAT

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

§1.1 LED 的发展历史及现状 ...................................................................................... 1

§1.2 普通 LED 的发光原理及特性 ............................................................................. 3

§1.3 特殊结构 LED ...................................................................................................... 6

§1.3.1 夜视兼容 LED ............................................................................................... 6

§1.3.2 交流 LED（AC-LED）及其应用 ............................................................... 7

§1.4 本课题的研究的内容 ........................................................................................... 8

§1.4.1 夜视兼容 QD-LED ........................................................................................ 8

§1.4.2 交流 AC-LED 结温测量 ............................................................................... 9

第二章夜视 LED .......................................................................................................... 10

§2.1 夜视兼容照明规范 ............................................................................................. 10

§2.2 量子点（Quantum Dot）技术 ........................................................................... 12

§2.2.1 量子点（Quantum Dots）简介 ................................................................... 12

§2.2.3 量子点技术在 LED 中的应用 .................................................................... 13

§2.3 量子点技术在夜视上的应用 ............................................................................ 14

§2.4 制作 QD-LEDs 以及数据分析 .......................................................................... 16

§2.5 结论 ..................................................................................................................... 19

第三章交流 AC-LED 的发光原理及结温测试方法 ................................................... 20

§3.1 交流 AC-LED 的发光原理及特性 .................................................................... 20

§3.2 LED 的热学参数 ................................................................................................ 21

§3.2.1 结温的产生 ................................................................................................. 21

§3.2.2 LED 的热阻 ................................................................................................ 22

§3.3 结温对 LED 参数的影响 ................................................................................... 23

§3.3.1 结温对 LED 寿命的影响 ............................................................................ 23

§3.3.2 结温对 LED 正向压降的影响 .................................................................... 24

§3.3.3 结温对 LED 发光波长的影响 .................................................................... 24

§3.3.4 结温升高对 LED 发光效率的影响 ............................................................ 25

§3.4 LED 结温测试方法 ............................................................................................ 26

§3.4.1 结温测量研究的现状 .................................................................................. 26

§3.4.2 测量 LED 结温的基础依据 ........................................................................ 26

§3.4.3 热阻推算法 .................................................................................................. 27

§3.4.4 正向电压（ETM）法 .................................................................................. 28

§3.4.5 脉冲电流测量法 .......................................................................................... 30

第四章脉冲电流法测量直流 DC-LED 的结温 ........................................................... 32

§4.1 脉冲宽度对 LED 的P-N 结温度的影响 ........................................................... 32

§4.2 测试环境简介 ..................................................................................................... 35

§4.3 测试原理及过程 ................................................................................................. 36

§4.4 数据分析 ............................................................................................................. 37

§4.5 结论 ..................................................................................................................... 39

第五章脉冲电流法测量交流 AC-LED 的结温 ........................................................... 40

§5.1 测试环境简介 ..................................................................................................... 40

§5.2 测试原理及过程 ................................................................................................. 40

§5.3 数据分析 ............................................................................................................. 42

§5.4 结论 ..................................................................................................................... 43

第六章总结与展望 ....................................................................................................... 45

§6.1 量子点 QD-LED ................................................................................................. 45

§6.2 脉冲电流法测试交流 AC-LED 结温 ................................................................ 46

参考文献 ........................................................................................................................ 47

在读期间公开发表的论文和承担项目及取得成果 .................................................... 52

致谢 ............................................................................................................................. 53

第一章绪论

§1.1 LED 的发展历史及现状

半导体发光二级管，也就是我们俗称的 LED（light-emitting diode）。它是通

过在半导体中电子和空穴对复合而产生光。因此，由于这种性质，我们也把它叫

做注入式电致发光。

其实，工程师 Henry Joseph Round 早在二十世纪初的时候就已经在一块碳化

硅物质中观察到了半导体器件的电致发光的现象[1]。但是由于当时这块半导体发

光材料所发出的黄光实在太暗，以至于都不能让人眼看的清楚。因而当时，这个

发现也就没有被人们所重视，也没有被人们所应用到实际中去。

等到了大约二十世纪二十年代晚期的时候，两位德国科学家也用黄磷发出了

黄光。但是，再一次因该产品所发出的光非常的暗淡，不能让人看到实际应用的

成果，因而又再一次停止了对其的应用研究。

终于在二十世纪中期，英国科学家使用了砷化镓半导体材料，并将这种材料

放置在液氮中，这样才使得其能发射出不可见的红外光。经过不断的改进，在二

十世纪六十年代末，美国某公司在砷化镓基体添加上了磷化物，形成了磷化镓化

合物。自此便出现了第一个能发射可见红光的LED，这个 LED 的光强超过

0.02cd（坎德拉）。

在接下去的几十年时间中，很多欧美的公司都掌握了有机金属化学汽相沉积

法（MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition），并且利用这种方法在

GaAs 衬底上进行了外延生长 AlInGaP 的工艺。在可见光谱区其会产生红光和橙

光。接着，日本某公司也学会了这种技术。他们将蓝光 LED 发光二极管和荧光粉

合成。并使用黄色与蓝色的互补来形成白光[2-5]。

二十一世纪初，LED 的发展更加的迅猛，很多公司都宣布发明了发光效率高

于一百流明的白光 LED，甚至有些已经超过一百流明，并且开始量产 [6-7]。如此

高光效的 LED 产品同时也成为了该领域的一个新的标杆。接着，各大照明公司也

相继宣布其研发出了各种高光效的 LED 产品。

台湾地区也在世界 LED 发展中屈居领先地位。数十家 LED 公司已经在台湾

地区形成了世界上最大的 LED 生产基地之一。台湾也与日本公司合作，在台湾成

立世界上最领先水平的 LED 公司，并且专门从事单芯片 ZnSe 白光 LED 的生产。

此外，台湾还组成了一个专门的组织，他们认为白光 LED 将会在接下去的几十年

特殊结构 LED 在飞机驾驶舱中的应用测试及结温测试

具有巨大的发展前景，为了首先抢占市场份额，他们率先开始着眼研究白光 LED

的应用[8]。

LED 是一个朝阳产业，我国在这个领域的起步与其他国家和地区相比要晚。

我国从很早就开始注重培养以及研究 LED，并开始发展 LED 研究的项目。各大

高校以及研究所都开始对 LED 以及相关领域进行研究。但是目前从材质，器件指

标等方面来看，我们与国际先进的水品之间还是有这很大的差距，尤其在专利以

及关键技术上都没能达到领先。

我们将不同发光波长范围的 LED 应用于不同的场合，可见光 LED（450～

780mm）用于背光，显示器；红外控制器等当中就可使用红外光LED（850～

1550mm）。在逐渐成熟的 LED 技术发展的现在，合成白光 LED 已经不需要再使

用复杂的技术，只需要简单的将两种颜色混合就能得到，为 LED 进入各类照明领

域铺平了道路。图 1-1 为LED 的市场和制备的演变。图 1-2 为2007 年LED 的市

场分布。

图1-1 LED 的市场和制备的演变

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摘要：

摘要LED自从20世纪60年代问世，在这短短的30多年里，LED就取得了飞速发展。LED光源与传统光源相比较，具有如下的优点：（1）超长寿命；（2）结构坚固,具有极高的抗震性能；（3）响应速度快，光通上升时间短；（4）对点灯线路要求低；（5）高效节能，现有光效已超过白炽灯，理论光效可达200lm/W；（6）不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。最近，航空工业已经逐渐地意识到了荧光和白炽灯光源在驾驶舱应用中的局限性，正在开始向LED背光源技术倾斜。LED有效解决了驾驶舱显示中很多挑战性技术，例如稳定性增加、维护减少、可视性改进。航空工业已经意识到LED在驾驶舱中的应用前景。然而因为采用荧光转...

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