一种采用降压补偿的大功率LED结温动态测量法.pdf

第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023一种采用降压补偿的大功率LED结温动态测量法侯瑞，张军朝，薛帅，张朝新，张欣宇（太原理工大学电气与动力工程学院，太原0 3 0 0 2 4）摘要：提出了一种新型的采用降压补偿的大功率LED结温动态预测法。文章分析了常规FVM法过程中的测量误差，同时利用反向电流降低电压加速光注入非平衡载流子的复合过程，并通过LabVIEW程序控制电源实现所需补偿电流波形。最后通过与传统方法测试结果进行对比，验证了该方法的有效性。关键词：大功率LED；结温；降压补偿；动态预测D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.028中图分类号：TM930.12A dynamic prediction method of junction temperature using step-down(School of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:A novel dynamic prediction method of junction temperature using step-down compensation for high-power LEDis proposed in this paper.Firstly,the measuring errors of the conventional FVM method are analyzed.Then,the reversecurrent is used to reduce voltage to accelerate the recombination process of photogenerated carriers,and the program-con-trolled power supply is controlled by LabVIEW to realize the required compensation current waveform.Finally,the effec-tiveness of this method is verified by comparing with the test results of the conventional method.Keywords:high-power LED,junction temperature,step-down compensation,dynamic prediction0引言近年来,大功率发光二极管（LED)以其环保、长寿命和高能量转换效率等特点受到人们的广泛关注。与传统光源相比，虽然LED的能量转换效率较高，但是仍然有高达7 0%8 0%的电能转换为热能聚集在了PN结处1 2 。并且该热能高度局部化，导致LED衬底上的热阻增大，进一步增加了结温3 4,导致LED的性能、寿命和可靠性都大大降低。这种热效应的影响会随着LED功率的增大而更为显著，由此可见大功率LED存在着严重的热问题5-6 。因此,精确预测结温对于指导大功率LED模块的寿命预测、优化设计以及提高可靠性等研究具有重要意义7 8 目前，结温测量主要有两种方法-直接法和间接法9 。由于直接法需要与芯片进行物理接触，对已封装的LED并不适用。间接法无需破坏LED的封装结构即可实现非接触测量，是目前结温测量的主要研究基金项目：山西省“1 3 3 1 工程基于大数据的智慧城市照明数据共享及公共服务平台工程技术研究中心专项建设项目（SC1 9 1 0 0 0 2 6）；山西省电气传动及物联网工程研究中心建设项目（RD1900000333）；山西省研究生教改项目（2 0 1 7 JG25）文献标识码：Bcompensation method for high-power LEDHou Rui,Zhang Junchao,Xue Shuai,Zhang Chaoxin,Zhang Xinyu文章编号：1 0 0 1-1 3 9 0(2 0 2 3)0 8-0 1 7 1-0 6方向。文献1 0-1 2 对比了拉曼光谱法、红外成像法和正向电压法这三种代表性的间接测量法。文中得出拉曼光谱法在实际测量中对LED表面温度均匀性要求极高,且函数关系难以在不改变LED 热传导的状态下获取；红外成像法只能得到LED器件表面温度，两种方法的测量结果都难以反映真实结温；正向电压法（FVM)利用LED正向电压与结温间良好的线性关系预测结温，测量精度高、响应快，是目前受公认的结温测量方法。但FVM法在实际测量中仍存在两个问题，首先文献1 3-1 4 指出在FVM法测试过程中从加热电流切换至测试电流所产生的切换延迟会导致初始测量数据丢失;其次文献1 5 指出在FVM法测试步骤中,将LED由工作电流切换至测试电流后,结温没有立刻下降，反而呈现出一段异常上升趋势，导致起始测量数据存在偏差。文献1 6-1 7 提出了一种在LED芯片内集成传感器单元的方法用于降低切换延迟，但传感器的嵌入成本较高，同时会引入其他误差。文献1 8 提出通过引人校准因子来表示正向电压变化与结温的关系，但测量前期结温的升高导致热阻值存在差异。文献1 9 采用基于结构函数的瞬态热响应测试法推算结温，但一 1 7 1 一第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日在预测结温前需要先得到器件热阻，过程十分繁琐。针对在FVM结温测试法中遇到的测量误差问题，文中提出了一种新型的基于反向电流降压补偿结温测量法。文中充分考虑了测试延迟和异常温升对结温测量的影响，通过引人补偿量加速电流的切换过程，同时在初始阶段快速降低的V,可极大缓解异常温升，得到更为精确、完整的结温和降温曲线数据。最后通过与同条件下FVM法的测量结果进行对比验证了该方法的有效性。11FVM法测量结温1.1 Vf-T,的线性关系理想二极管的伏安特性关系为：nK.T,In(I/I,+1)V,=式中V,为前向电压;T为结温;n为理想因子;K为玻尔兹曼常数;q为电子电荷;I.为反向饱和电流,其大小取决于结温。可见，当输入电流恒定时，二极管的前向电压V与结温T呈线性关系,通过图1 可以直观看出，二极管的前向电压V随着结温T,的升高呈线性下降趋势，则图像斜率为：K=V/T,式中K即为电压温度系数,单位mV/；V,和T j为至少两组电压、温度点的差值。得到K值后,结温T,即可通过V,的实时测量值计算出来。2.55K=-2.205mV/2.502.452.402.35304050607080Temperature/图1 前向电压与结温的函数关系Fig.1 Function relationship between forwardvoltage and junction temperature1.2 基于V,的结温测量由上述分析可知,这种线性的V,-T关系可用于在恒流条件下通过测量前向电压来计算结温。V,-b(1)T;=K(I)式中V为流过PN结的前向电压;K(I)为电压温度系数;b(I)为截距。可以看出,K(I)与b(I)都取决于驱动电流I,当恒定时，只需测出V,即可计算出当前结温。整个结温测量过程分为K值标定和结温动态测量两部分。一1 7 2 一电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation1.2.1 K值标定将恒温箱温度以3 0、40、50、6 0、7 0、8 0的升温顺序依次设置，每阶段温度稳定后给待测LED通入0.1 mA测试电流,并读取相应电压值,再对标定所得的电压温度数据进行线性拟合即可获得K值。1.2.2结温动态测量K值标定后，给待测LED通入工作电流使结温上升至某一稳定值，该阶段为加热阶段。然后将工作电流切换至0.1 mA测试电流进入降温测试状态。记录V,随时间变化的数据,结合先前标定的K值即可得到结温随时间变化的升温曲线以及降温曲线。2测量误差分析2.1电流切换延迟(1)按照上节FVM法测量步骤，文中分别进行了几组实验。样品选用最大功率5W，额定电流3 50 mA的大功率LED模块，最大功率5W，额定电流3 50 mA。将电流切换时刻作为时间轴零点，加热阶段参数设置为300s的3 50 mA恒定加热电流，降温阶段切换至0.1mA的恒定测试电流。从图2 电流切换过程可以看出，工作电流到测试电流存在5ms左右的切换延迟，造成降温初始阶段数(2)据的丢失，而这段缺失数据对于降温曲线及热特性分析的精确性都至关重要。400切换延迟300200810000510元1 52 02530Time/ms图2电流切换波形示意图Fig.2 Schematic diagram of current switching waveform2.2异常温升现象通过常规FVM法得到的降温曲线可以看出，电流切换后LED在降温前出现了0.8 ms左右的温度上升环节，升温幅值约为2.8，如图3 所示。84.0LED降温曲线83.082.0(3)81.080.00.0图3 降温曲线初始测量阶段Fig.3 Initial measurement stage of cooling curveVol.60 No.8Aug.15,20231.02.0Time/ms3.04.0第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日经分析,降温曲线初始阶段的异常温升是由光注入的非平衡载流子导致的，其上升幅值和持续时间由非平衡载流子的累积数量决定。加热阶段通人的加热电流数值越大,其降温曲线的异常温升幅值越大，持续时间越长,LED功率越大,异常温升问题越突出。3基基于反向电流的降压补偿法3.1光注入载流子对结温的影响在升温阶段，通入电流越大，光强越强，由此产生并积累了大量光注人非平衡载流子。这部分载流子在电流切换的瞬间不会立刻消失，而是沿势垒漂移，产成一个短暂的反向电流i,其过程如图4所示。电子扩散区qIVD-(V+AV)Eq(Vb-V)P区EFnEFp势垒区；EFPEv电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation间接测量。测量系统主要由上位机、高温恒温试验箱、可编程测量电源、myDAQ数据采集模块等构成，如图6所示。电子扩散区：EP区EFEv图5降压补偿法加速非平衡载流子复合过程Fig.5Acceleration of non-equilibrium carriersrecombination by step-down compensationErn可编程测量电源N区Vol.60 No.8Aug.15,2023qVp-(V-NV2)1EFn势垒区1EFnN区一.0.空穴扩散区LED样品高温恒温试验箱空穴扩散区图4光注入的非平衡载流子对结温及势垒的影响Fig.4 Influence of non-equilibrium carriers injectedby light on junction temperature and barrier由于电流恒定,故施加在LED两端的电压由V上升至（V+V）,测试电流由1 mA上升至（1 mA+i），从而抵消反向电流,势垒高度也从q（Vp-V）下降至qV-（V+V),加剧了非平衡载流子的生成。随着非平衡载流子的不断复合，正向电压由（V+V)不断减小,与其成反比的结温因此不断上升,待非平衡载流子全部复合后开始下降。所以在电流切换瞬间会出现这种异常温升的现象。3.2采用降压补偿法的结温预测通过上述分析可知，只要在测量阶段前尽可能使光注入非平衡载流子完成复合，就可以降低其在后续测量中所产生的温度误差。按照这个思路，文中提出了一种加速光注入非平衡载流子复合的降压补偿法，在切换到0.1 mA测试电流前,先给LED通人适当的反向补偿电流，使LED两端电压降低了V2,势垒高度因此升高至qV-（V-V,）,势垒区变宽，促进了非平衡载流子的漂移过程，复合率迅速提升。非平衡载流子加速复合过程如图5所示。4基于反向电流的降压补偿法的实现4.1硬件方案设计采用降压补偿的结温动态测量法首先需要通过采集被测LED恒流工作时的正向电压从而实现对结温的myDAQ数据采集模块RS232串口通信计算机（利用SCPI指令控制可编程电源）（动态显示结温预测结果）图6 系统结构框图Fig.6System structure block diagram4.1.1 电源选型为了实现降压补偿法，文中采用计算机控制电源的方案,精确输出所需电流波形是降压补偿法的关键。文中电源选用INVENTFINEWL6005精密型可编程测量电源,其输出电压电流连续可调，测量分辨率可达1 0fA/100 nV,并且采用高速MCU及高精度D/A、A/D 进行控制与测量，内部集成电子元器件的响应速度快，有效加速了电流切换后的恢复时间，将电流切换延迟缩短至s级,极大缓解了结温测量中的切换延迟问题。同时电源的最小可编程脉冲宽度可达50 s，满足降压补偿法对所需电流脉冲精确度的要求。4.1.2高温恒温实验箱选型对被测LED进行K值标定时，需要将LED放置在30、40、50 6 0、7 0、8 0 升温顺序的温度环境中,每段温度需维持一定时间。文中选用VN-TC1000型高低温恒温试验箱为结温测试提供温度环境。VN-TC1000的温度范围为-40+1 50,温度波动度0.5,温度偏差2,升降温时间均在2 0 min以内,具有稳定平衡的加热能力,还可自动记录3 6 5天内的温度数据，满足了降压补偿法K值标定时对温度环境的要求。一 1 7 3 一第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日4.1.3数据采集模块选型降压补偿法的原理是利用被测LED电压与结温的线性关系实现结温的间接测量，在测试过程中对LED前向电压的精确采集十分重要。文中选用National In-struments公司的myDAQ数据采集装置。myDAQ配备有8 个DIO端口，2 个模拟I/0端口，最高采集频率达200kS/s。在测试过程中myDAQ将采集到的电压数据上传至计算机进行分析，根据拟合数据对LED的结温进行实时计算。4.2软件方案设计测量系统可在恒温试验箱温度恒定的情况下，设置降压补偿法所需的电流波形，在不同阶段自动切换测试电流,并采集对应的前向电压数据，然后对K值进行标定，根据所拟合的电压温度关系动态计算结温，当测试阶段持续3 0 0 s后完成对结温的测量。系统测量流程如图7 所示。电源端口及数据保存信息通过Lab-VIEW自带控件设置，电源输出电流参数通过RS232串口传至可编程电源，通信内容为SCPI指令。开始电压信号采集设置电源端口K值标定设置数据保存路径及存储时间设置各输出电流大小、切换时间及通电时长开启电源图7 结温测试系统流程图Fig.7Flow chart of junction temperature test system如图8 所示，前向电压采集程序通过DAQmx控件实现，系统创建采集任务后，首先对采集通道及采样频率进行设置，然后开始自动采集并读取电压数据，最后停止采集并释放采集资源。Samples真Timeout(s)Run6图8 V信号采集程序设计Fig.8 Program design of V signal acquisition一1 7 4一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation在K值标定模块设计中,利用最小二乘法拟合出V,-T,的线性关系,其斜率即为所求K值。计算结果会实时显示并保存。程序设计如图9 所示。BC:Users198121oritxtEend自自自自白图creat/openK值123值图9 K值标定程序设计Fig.9Program design of K value calibrationLabVIEW程序控制电源输出的理想电流波形如图10所示，第一部分为持续3 0 0 s、幅值3 50 mA的加热电流;第二部分为持续1 ms、幅值-5mA的反向电流,用于拉低LED两端电压；第三部分为持续3 0 0 s、幅值0.1A的测试电流。这三段电流完整描述了文中结温测量法的全部过程，分别为加热阶段、降压补偿阶段和测量阶段。300s350mA计算结温IM通入时间是否 3 0 0 s？结束Voltage23Maxvalued1.23Max index23Vol.60 No.8Aug.15,2023V-T实时显示abc300 s 0.1 mAN0mA1 ms-5 mA图1 0 降压补偿法输入电流波形Fig.10Input current waveform of the step-downcompensation method在上述电流波形中,加热电流通过在LabVIEW中设置的恒流输出模式（Constant Current）实现;反向电流和测量电流通过列表输出模式（ListCurrent）实现，其中每份列表中数组的采样点上限为1 2 53 0,通过AP-PENDARRAY在第一份列表后添加8 个新数组，总采样点个数为1 2 53 0 9,保证了输人电流的精度。其中前三份列表中的数据为降压补偿法所需的5mA反向电流,后面五份列表中的数据均为相同的0.1 mA测试电流。图1 1 为可编程电源控制系统在测量结温时的运行界面。5实验分析为了验证该方法的有效性，文中设计了如下实验环节：将基于常规FVM法原理的结温测试仪测量结果与采用降压补偿的结温测量法所预测的结果进行比较。实验条件如下：被测样品选用额定电流3 50 mA、额定结温8 5的大功率LED模块；实验环境温度控制第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日在2 8.3；加热电流设置为持续3 0 0 s、大小3 50 mA，反向补偿电流设置为持续1 ms、大小-5mA,降温电流为持续3 0 0 s、大小0.1 mA。INVENTFINEWL6005运行/停止波特丰送行9600VISA销环次数0 xB2=0 x18:0 xD3:0 x12,0 x08,开/关电源3打开电源模式ConstantCurrent加格电退(A0.35Step-size(s)406000形图山图1 1 电源控制系统运行界面Fig.11 Running interface of power control system图1 2 为采用降压补偿法后的电流切换波形，通过与图2 常规FVM法电流切换波形对比可知，测量延迟从5ms缩短至8 0 s左右，大幅加速了电流切换过程，由于测量延迟而丢失的大部分初始结温数据因此补全，使得LED降温曲线更为完整。40030020010000图1 2 采用降压补偿法的电流切换波形Fig.122 Current switching waveform after adoptingthe reduced voltage method图1 3 为采用降温补偿的结温测量法预测出的完整LED动态结温曲线，其达到稳态时间约为5min，测得稳态时的结温值为8 2.3 9，降温曲线完整清晰。9082884030200150300450600750Time/s图1 3采用降压补偿法的结温测试曲线Fig.13TThe junction temperature test curve withthe step-down compensation method电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation图1 4分别为常规FVM法和补偿后的加热阶段结温测试曲线，样品LED在3 50 mA工作电流下的结温计算值为8 5。由图可知，常规FVM法达到稳态的结温为8 0.8 7，与计算值差异为4.1 3，误差为模式二4.86%；采用降压补偿法达到的稳态结温为8 2.3 9，List Currernt政据采集点12530初始列表(txt)CAUsers198121DesktopVist-origin.txt追加列表(txt)Csersi98121VDesktopVist-append:bxt时间（）ListnputCurrent(A300-0.32Points-0.0657-0.003860.0000.0001Q.0001时尚（ms）4003002001000.00.1 0.2Time/ms24Time/mstemperatureVol.60 No.8Aug.15,2023Step-size(s)0.0002Time(s)0.00020.00040.0008与计算值差异为2.6 1，误差为3.0 7%。90ent(A)2.8162732.5377492.6348812.5028742.5012170031f0.46junction,0.033460064180.0001160.000108电话M0.60.88605040301200图1 4加热阶段结温动态测试曲线对比Fig.14Comparison of dynamic test curves ofjunction temperature in heating stage经分析，这部分误差主要来源于LED封装模块上的其他散热路径也存在少量散热，芯片所产生的热量没有全部从底部热沉散掉，使得实测值比计算值略低。实验截取了降温测试阶段前1 0 0 s补偿前后的降温曲线，如图1 5所示。在测试过程中，LabVIEW程序控制电源进行了1 5次的循环测量，将所得数据取平均值后得到了图中补偿后的降温曲线。90807060504030201E-4 1E-3图1 5动态降温测试曲线对比Fig.15Comparison of dynamic cooling test curves由测试结果可知,补偿后的结温预测有效缓解了降温曲线初始段异常温升的问题；循环测量取平均值有效减少了数据噪声，使曲线更加平滑，曲线拐点更为清晰，更好地反映了LED模块封装各层的热参数和热阻结构。6结束语文中提出了一种新型的采用降压补偿的大功率LED结温动态预测法。首先基于常规FVM法实验步骤分析了实验过程中的测量误差，提出了一种加速光注人非平衡载流子复合的降压补偿法。然后通过Lab-VIEW程序对电源进行控制,实现了降压补偿法所需的一1 7 5 一conventionalmethodcompensationmethod100200Time/sconventionalmethodcompensatjonmethod0.010.1Time/s300110100第6 0 卷第8 期2023年8 月1 5日电流波形。最后,通过与常规FVM法的测量结果进行对比,验证了该方法的有效性和可行性。实验结果表明,该方法有效地减少了FVM法中的测量误差,实现了LED结温的动态精确预测。参考文献1 Daechan Jeon,Chan Byon.Thermal performance of plate fin heat sinkswith dual-height fins 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9 9 3 一），男，硕士研究生，从事电气照明控制技术研究。张朝新（1 9 9 5一），男，硕士研究生，从事电器可靠性研究。张欣宇(1 9 9 9 一）,女，本科，从事智能机器人研究。Vol.60 No.8Aug.15,2023侯瑞（1 9 9 6 一），男，硕士研究生，从事电工电子器件可靠性评估及检测技术研究。Email:981218795 收稿日期：2 0 2 0-0 6-2 6；修回日期：2 0 2 0-1 2-0 4（任美辉编发）176一