高效高可靠LED灯具关键技术研究
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国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项
“高效高可靠LED灯具关键技术研究”
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大功率照明灯具主要应用于大型体育场馆、民航、港口、广场等领域，市场规模每年千亿元级。目前市场上的大功率照明灯具主要是高压钠灯、金卤灯。近年来，随着LED照明科技的发展，LED照明灯具在节能、智能控制、寿命方面具有巨大优势，因此，采用LED照明成为了照明领域的必然的发展趋势。高效、高可靠LED灯具的关键技术研究成为了LED推广应用的热点。
目前，单光源大功率LED产品又由于光学材料、结构设计与封装等问题，光效较低，高发热量的累积造成LED芯片结温升高，导致光谱变化、光效降低、寿命缩短。市场常用型材散热、风冷及热管等技术的散热能力不足，可靠性低，所以从封装到灯具，贯穿各个环节的热管理难题是这种大功率高功率密度LED器件应用的瓶颈问题，其决定了大功率LED灯具的光效和可靠性。同时大功率LED驱动电源的研发还处在起步阶段，其寿命等参数尚待提高。因此亟需对高光效及高可靠性的大功率高功率密度LED灯具关键技术开展研发。
中国科学院工程热物理研究所的微槽群课题组长期从事微槽群复合相变热管理与节能技术的研究，提出并发展了具有自主知识产权的高性能微细尺度槽群结构热沉复合相变冷却技术。针对千瓦级大功率器件已开发出最高取热热流密度超过400W/cm2的高热流密度取热元件，解决了制约LED行业发展的高功率密度LED光源散热这一关键技术问题，相关科研成果已经成功实施产业化推广。
1.高效高可靠LED灯具关键技术研究内容：为了解决大功率高功率密度LED灯具热管理难题，突破电源耐高温长寿命瓶颈，提升灯具系统光效及可靠性，实现产业化应用，产生显著社会经济效益等。拟对光源、散热器、电源及灯具系统的热管理技术（包括材料、结构和加工工艺）及光源、驱动电源的效率与可靠性的提高进行重点研究。解决如下科学问题：具有高效率和优良热淬灭特性的全光谱新型块体荧光转换材料（陶瓷/单晶/玻璃）的微观、介观结构设计与性能调控；微纳尺度新型热功能材料对热界面热导率的影响；微槽群复合相变强化传热临界热流机理及多物理场耦合效应对强化换热的影响规律。并突破以下关键技术：复合导热通道集成封装与微槽群热沉光热一体化技术；新型无电解电容拓扑变换电路技术；灯具光学系统优化技术与光电热系统集成热管理技术。
2.主要创新点: 具有高量子效率和优良热淬灭特性的全光谱新型块体荧光转换材料（陶瓷/单晶/玻璃）以及新型光学透镜材料的结构设计与性能调控；大功率高功率密度高可靠的高光效单光源集成封装与微槽群热沉光热一体化技术；大功率高热流密度散热器及热界面的新材料探索与结构设计，实现大功率灯具系统的轻量化、小型化；通过二次光学的优化设计，提升灯具光学系统的集成度、效率和稳定性，满足大功率LED灯具远距离高照度的应用需求；采用高效磁芯材料，研发无电解电容变换器技术，实现电源的耐高温长寿命。
3.研究成果：在科学问题方面，阐明块体荧光转换材料（陶瓷/单晶/玻璃）的微观/介观结构、稀土能级插入和晶体场分裂、能量传递等因素与材料发光效率、热淬灭特性、光谱波长的影响规律；阐明微纳尺度新型热功能材料对热界面热导率的影响规律；揭示微槽群复合相变强化传热临界热流机理及多物理场耦合效应对强化换热的影响规律；申请发明专利≥25项，发表论文≥30篇。在技术方面，200W 单光源中大功率（＜500W）和1 000W单光源超大功率（≥500W）的灯具光效分别≥160、120lm/W，光品质满足国家照明设计标准；环境55℃下燃点1 500h，灯具光通和中心光强维持率≥95%；1 000W灯具高度60米地面中心照度≥350lx，灯具体积和重量分别小于现有2 000W金卤灯的1/3和1/2；环境温度 70℃下灯具电源寿命＞30 000h；500W以上单光源散热器热阻≤0.006℃/W。在产业化方面，以上相关技术实施产业化；LED 灯具累计销售＞10 亿元，其中中大功率 LED 灯具应用＞3 000 盏，500W以上灯具应用＞3 000 盏。
通过项目组织和研究内容的开展可以形成一条高功率单光源LED器件封装、电源、整机和应用的完整产业化链条，实现产业化生产线并获得经济效益；促进我国大功率高功率密度LED灯具产业链的发展，助力节能减排。项目产品可实现对传统大功率照明产品替换，广泛应用于广场照明、大型厂矿照明、港口码头照明、体育照明、军事航空照明、远距离照明等领域，综合节能在50%以上，填补市场空白，促进行业整体水平提升，满足国家重大项目建设的需求，实现拉动上下游产业产值100亿元以上，对国家的节能减排和绿色环保工作提供强有力支撑，具有显著的科学、社会、经济和生态效益。（周文斌）
▌全文刊载于《照明工程学报》2017年第28卷第6期
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