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大功率范文1
【关键词】功率控制 PID 定向耦合器 矢量电压检测 回波补偿 MOSFET
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.000 中图分类号：TN722.7 文献标识码：B 文章编号：1006-1010（2015）03-
引用格式：童业平. 大功率射频功放的功率控制[J]. 移动通信， 2015，39（3/4）：
Power Control of High-Power RF Amplifier
TONG Ye-ping
（China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute， Guangzhou 510310， China）
[Abstract] An accurate power control method of high-power broadband RF power amplifier is proposed in this paper. The power output and its influencing factor of high-power broadband RF power amplifier are analyzed. A vector voltage detection technique is presented which uses incremental PID control as core control scheme. A set of implementation methods including mismatch protection and temperature adaption， as well as experience and results in practice process are presented， such as the implementation of PID controller and the structure parameter of directional coupler. Especially， the cautions of the control scheme are focused， such as enlarging integral sensitivity， eliminating integral saturation and handling the “mushroom head” of burst power envelope.
[Keyword] power control PID directional coupler vector voltage detection echo compensation MOSFET
1 1 引言
功率控制技术是移动通信中一项重要的关键技术，并且随着网络空间的不断深入发展，无论是在民用的3G、4G网络，还是在其他专用移动网络，其应用越来越广泛，性能要求也越来越苛刻严苛。民网中，业界对功率控制技术的研究主要集中在eNode B与UE之间空口的信令交互，根据网络对平滑信道衰落、克服““远近效应”，”、抑制小区间干扰的要求进行的开、闭环功率自动调节。功率调整输出的执行者是UE，而UE是典型的小功率设备，并且其工作频段的相对频程很窄，在带内具有很好的频率响应特性。因此，只要能从下行信道中获得eNode B为其指定的功率等级，使用简单的查表法，其Burst的功率幅频特性就完全可以满足系统要求。
本文要研究的是，在某些专用网络中，有类似于民网UE设备的移动台（MS），它需要向基站（CS）发出高达几十瓦，甚至几百瓦的大功率，工作频段覆盖整个V段和U段中的低频段，相对频程达到几倍，甚至十几倍。而在实际应用中还发现，使矛盾更加突出的是，那些只能靠手工打造的V/U段中馈天线，段内S参数极不平坦，并且一致性很差，几乎没有任何两2幅天线拥有完全一致的S11和S21曲线。在实际应用中，用这样的天线作为负载，使得用标准负载校正调试过的功放，通过长达几米或几十米不等的馈线接入天线后，功率的幅频特性非常糟糕，纹波通常达±1.5dB。 。
本文针对上述网络应用场景的特殊性，提出一套经过实际验证的功率控制解决方案。以50W功放为例，其输出纹波可以达到 ≤±0.2dB的水平，并且具有较好的负载适应性和温度适应性。
2 2 方案概述
控制对象为功率放大器PA，V/U段大功率放大器通常是以大功率MOSFET管为核心的放大电路，MOSFET管放大器的增益随栅极电压 V_g的增加而增大。另一方面，MOSFET管放大器的增益随温度的增加而增大或减小，并且温度超出额定范围则应该采取必要的保护措施。
在放大器前馈通路上放置一个数字控制衰减器HMC472，可以在0.5～31.5dB的范围内以0.5dB分辨率进行调节。
在功放管热源位置放置温度传感器，温度传感器输出与温度成线性比例关系的温度检测电压 V_t。
由于馈送到天线ANT的发射功率不仅取决于PA的放大系数，还与PA到ANT的匹配阻抗Z有关。实际馈送到天线的功率为天线口入射功率和反射功率的向量和。本方案设计了一个微带定向耦合器，基于定向耦合器并采用矢量电压测量法获得与天线端口入射功率和反射功率成正比的入射功率检测电压 V_in和反射功率检测电压 V_ref，同时利用无线系统工作频段内跳频工作的特点，估算出天线端口的S11和S21参数。
空口物理层通过SPI口设置Burst的功率字，本方案以增量式PID控制器为核心，根据给定的功率字和当前Burst的 V_in、 V_ref和 V_t，控制输出数控衰减器的分档值P和MOSFET管的栅极偏置电压 V_g。.
3 3 增量式PID控制
如前文所述，妄图仅仅通过查找表调整前置数控衰减器而使得大功率MOSFET管在宽频带范围内平稳输出适应不同路损的多档功率，是一件极其困难的事情。而根据MOSFET管放大器的增益G随栅极电压 V_g的增加而增大的特性，可以对MOSFET放大电路增加一个单闭环控制器。本方案选择了经典控制策略中的增量式数字PID控制策略。需要注意的是，由于MOSFET管的调整范围有限，仅仅作为细调环节，粗调仍然保留前置的数控衰减器。
将公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）代入公式（6），得到增量式数字PID传递函数，然后将公式（6）代入公式（7）得到PID运算的输出U（n）。其中n为采样计数器，取值为0、1、2、3……；在第n次采样时，首先将c（n-1）赋值给c（n-2），然后将c（n）赋值给c（n-1），最后将最新的采样结果赋值给c（n）；于是c（n-2）、c（n-1）、c（n）为连续3次对输出的采样保持结果； r为控制目标，即给定值；c（n-2）、c（n-1）、c（n）分别与r求差，得到连续三3次采样与给定值之间的余差e（n-2）、e（n-1）和e（n）；将余差代入公式（6）， K_P、 K_I、 K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，可以根据系统的实际情况设置为常量；e（n-2）与 K_D的乘积即二阶跟踪增益，e（n-1）与 K_I的乘积即一阶跟踪增益，e（n）与 K_P的乘积即零阶跟踪增益；分别达到加速度跟随、速度跟随和位置跟随的目的；三项增益的和代入公式（7），即累加到上一次的控制器输出 U（n-1）上，得到本次的控制器输出 U（n）。经典的PID控制器通过调整 K_P、、 K_I、 K_D三这3个系数使得控制输出 U（n）跟随给定r并达到期望的动态性能和稳态性能。
采样周期T和采样值c的精度与ADC的性能有关，例如采样精度为12BIT12bit，速率为10Msps的ADC芯片，采样周期即为1*10-71×〖10〗^（-7）秒s。给定值r即基带单元通过SPI口送给功放的功率档值（功率字）。 K_P、 K_I、 K_D的选取与实际的控制对象，即MOSFET管的传递函数有关，关于其整定方法可以参考经典控制理论，本方案使用工程整定法进行控制参数整定。控制器的输出为 ?U（n），通过DAC电路将 ?U（n）转换为MOSFET管的栅极电压Vg，软后然后通过适当的驱动电路（如电压跟随电路）接入到放大器的栅极。，即可达到控制功率输出值的目的。
由于控制器的积分项是消除输出余差的关键，因此对积分项的处理要格外谨慎，注意扩展积分灵敏度和防止积分饱和。而微分系数则可以尽量小一些，因为每一个突发都很短，在每一个突发周期内，给定通常不会改变，所以并不要求其二阶跟随的速度很高。
4 4 矢量电压检测
控制器的精确控制必然基于传感器的精确检测。宽频段范围内大量程、高灵敏度的功率检测是一件和控制策略设计同样棘手的事情，而通常移动设备对于结构体积的关注使得矛盾更加突出。为了具有对差异性负载的适应性，本方案选择矢量电压检测技术对输出功率进行检测，不仅能测得馈送到负载的正向功率，也能测得端口的反馈功率，从而根据反馈功率实现对正向功率的补偿。
矢量电压检测的核心元件是定向耦合器。定向耦合器是一个无耗互易四口网络，在所有端口都匹配的情况下，散射S矩阵如公式（式8）：.
当所有元件是无源的和互易的，、所有端口匹配，S矩阵可简化为公式（9.）：
定向耦合器根据端口2和3之间的相位移 进行分类， 称为同相耦合器， 称为正交耦合器， 称为反相耦合器。定义定向耦合器的其他重要参量：
理想时，各个口的驻波比为1，插损为3dB，耦合度为3dB，隔离度与方向度均为无穷大。值得注意的是，理想定向耦合器并不是我们要追求的目标，理想耦合器的耦合输出口（P3）对正向的电磁能量进行取样，耦合口（P4）对反向的电磁能量不敏感。我们需要的定向耦合器性能是：：耦合口P3对正向功率的取样是线性的，即耦合系数在工作频段仁瞧教沟模ǎflatness））；耦合口P4对反射功率敏感，同时又有足够大的方向度，以保证失配检测有足够的灵敏度；带内插损越小越好。如果频段较宽时，全频段内的线性度无法满足测量要求，可以软件进行分段线性处理。定向耦合器如图2所示：
本方案自行设计了一款在整个V段内可以满足测量要求的定向耦合器，其结构如图 2所示。在介质为FR-4的PCB板上铺出厚度为1oz，长度为40mm40毫米，宽度2.95毫米的铜质传输线；两侧间隔0.8mil铺出等长而宽度为1.6mm6毫米的铜质传输线；介质厚度为1.6mm6毫米，底层整板铺地，并如图所示引出耦合端和隔离端即可。
它有如下特点：
（1）在30～512MHz范围内，插损不超过0.1dB；
（2）在30～512MHz范围内，实测时方向度为25～35dB，且基本线性；
（3）易制作，在EDA中进行PCB板布线时精确成型；
（4）体积较小，可以用于大功率移动射频功放；
（5）可生产性强，一致性好，无需像线圈绕制的耦合器那样需要人工调试，PCB板制成后，元器件完成自动贴装，定向耦合器的性能就基本满足指标要求。
5 5 回波补偿及失配保护
基于上述矢量电压检测方法，如果定向耦合器的参数为已知，即其在工作频段内的性能为确定值。则定向耦合器输出的反向功率检测电压为 V_ref，正向功率检测电压为 V_in。电压值与功率值之间的函数关系由定向耦合器的数学模型确定。
公式中，Γ为入射节点处的电压反射系数；Z为入射节点看入的归一化阻抗。
预先对定向耦合器进行开短路校正和分段线性处理，得到定向耦合器在工作环境中的线性传递函数。
因此，PID控制器的采样值c由公式（18）确定。：
参数 P_ref和 P_in根据工程实际确定，从而使得控制器具有对反向功率的补偿能力，当负载在工作频段内的S11曲线不一致时，控制器能根据S11曲线的变化动态调整输出，在示波器上观测可以看到，在任意频点，同一档功率时输出功率包络的幅度都是一致的。
另外，公式16的Γ可以作为负载匹配性能的依据，当Γ在工作频段内的幅频特性曲线超出容许范围时，可以下调输出功率或直接关闭输出功率，达到失配告警和功放保护的目的。
需要注意，为了避免虚警，特性曲线的获取应该采用统计数据，因为功放在全频段内跳频工作，一段时间内随机统计的结果与使用网络仪自低向高扫描所得结果是基本一致的。
以上方法已经假定定向耦合器进行简单的开短路校正后即具有传递函数一致性，如果某些特定场合必须使用手工制作的差异性很大的定向耦合器，则可能要通过训练控制器参数的方法获得专家系统经验，或者其他更为复杂的算法，用于适应传感器的性能。
6 6 温度自适应
本方案中，在MOSFET管的管身一侧粘贴有一个微小的温度传感器，温度传感器输出的电压信号Vt由控制器的ADC电路进行采集。
MOSFET管是典型的温度敏感元件，大功率设备所应用的特殊场合，要求的温度适应范围通常很宽。工作频段内，MOSFET管的增益G相对温度的特性曲线可以从厂家提供的手册中查得，有时也因为实际应用时匹配电路自身具有温度特性，因此会与MOSFET管一并考虑，通过实测的方法得到其曲线模型。控制器通过查找表记录该曲线，据此修正前置衰减器的值和优化控制器的控制参数，追求更加完美的功率输出动态响应性能。
由于MOSFET管本身是热源，在高温环境下工作，由于散热条件的限制，有可能聚集大量热能，危及自身安全。因此，当温度急速上升时，可能需要考虑关闭功放并告警，当温度缓慢上升时，则可以考虑降低发射功率从而缓和聚热，使得功放可以根据自身的承受能力来满足应用的需要。
7 7 ““蘑菇头””的消除
在跳频工作的应用系统中，基带单元以Burst为周期启停发射电路，由于每次启动时的阶跃冲击会对放大电路带来不利影响，降低了放大电路的寿命。因此通常在开启发射时，使发射激励在时域内缓慢上升至目标值；关闭发射时，缓慢降低发射激励的功率。对于功放而言，当输入功率较小时，输出功率也比较小。于是，控制电路根据给定值迅速进行跟踪，控制输出一个较大的超调量，从而导致Burst的两端出现一个形似““蘑菇头””的功率包络，尤其是前端较为明显。对电路和电磁环境都会造成不利影响。
因此，控制器应自动识别输出值与给定值的余差。当余差小于一定范围时，才能启动控制器的微调功能；否则说明功率在缓升缓降过程中，控制器应保持静默，避免功率包络““蘑菇头””的形成。
8 8 总结结束语
本文介绍了一种针对大功率宽频段功放的精确功率控制方案，并且详细阐述了其实现方法及注意细节。在30～512MHz的50W功放中使用本方案，其输出纹波可以达到 ≤±0.2dB的水平，如表 1所示。当移动台全频段跳频，、大功率发射时，在同一功率档级，功放输出到天线的功率包络形状规整而稳恒，不因频率的变化而大幅度变化，也不因馈线的长度和负载换接而大幅度变化。天线与功放断开时，无需手动关闭功率，功放自动转为小功率间歇输出；天线接入时，能自动恢复正常发射。并且发射功率从小到大，可以密集分档，连续变化，为大功率移动设备在网络中根据路损实时调整发射功率提供了必要的技术基础。
参考文献：
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[4] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京： 科学出版社， 2001.
大功率范文2
目前，国内生产的高压大功率变频器中，以2种方案占主流:一种是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的，由于输出升压变压器技术难度高，成本高，占地面积大，都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展方向。
而高-高方案又分为多重化技术(简称CSML)和三电平(简称NPC)方案，目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案，而大多数厂家则是采用低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较，各有优缺点，主要表现在:
(1)器件
采用CSML方式，器件数量较多，但都是低压器件，不但价格低，而且易购置，更换方便。低压器件的技术也较成熟。而NPC方案，采用器件少，但成本高，且购置困难，维修不方便。
(2)均压问题(包括静态均压和动态均压)
均压是影响高压变频器的重要因素。采用NPC方式，当输出电压较高时(如6kV)，单用单个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，这必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，系统的可靠性也将受到影响。而采用CSML方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压上升，即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。
(3)对电网的谐波污染和功率因数
由于CSML方式输入整流电路的脉波数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势很明显，因此在综合功率因数方面也有一定的优势
(4)输出波形
NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平(对五单元串联而言)，而且后者的等效开关频率大大高于前者，所以后者在输出波形的质量方面也高于前者。
(5)dv/dt
NPC方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半，对于6kV输出变频器而言，为4kV左右。CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1kV，所以前者比后者的差距也是很明显的。
(6)系统效率
就变压器与逆变电路而言，NPC方式与CSML方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率的0.5%左右。
(7)四象限运行
NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备;而CSML方式则无法实现四象限运行。只能用于风机、水泵类负载。
(8)冗余设计
NPC方式的冗余设计很难实现，而CSML方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提高系统的可靠性。
(9)可维护性
除了可靠性之外，可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子，以及1个光纤插头，就可以抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
总之，三电平电压形变频器结构简单，且可作成四象限运行的变频器，应用范围宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器，在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。而多重化PWM电压型变频器不存在均压问题，且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机、水泵类一般不要求四象限运行的场合，CSML变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。
我公司的设计人员经过多方探讨，综合各种方案的优缺点，最后选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最佳选择，这就是我们向市场推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高压大功率变频器。
2变频器的性能特点
(1)变频器采用多功率单元串联方案，输出波形失真小，可配接普通交流电机，无须输出滤波器。
(2)输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高。
(3)控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现，提高了抗干扰性及可靠性。
(4)控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统，有利于整机调试和操作人员的培训。
(5)采用全中文的Windows彩色液晶显示触摸界面。
(6)主电路模块化设计，安装、调试、维护方便。
(7)完整的故障监测和报警保护功能。
(8)可选择现场控制、远程控制。
(9)内置PID调节器，可开环或闭环运行。
(10)可根据需要打印输出运行报表。
3工作原理
3.1基本原理
本变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器，原理框图如图1所示。单元数的多少视电压高低而定，本处以每相为8单元，共24单元为例。每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自立独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组，互差为20°,以B相为基准，A相8个单元对应的8个二次绕组超前B相20°，C相8个单元对应的8个二次绕组落后B相20°，形成18脉冲整流电路结构。整机原理图如图2所示。
3.2功率单元电路
所有单元都有6支二极管实现三相全波整流，有4个IGBT管构成单相逆变电路。功率单元的主电路如图3所示，4个IGBT管分别用T1、T2、T3、T4表示，它们的门极电压分别是UG1、UG2、UG3、UG4、
个功率单元的输出都是一样的PWM波。功率单元输出波形如图4所示。逆变器采用多电平移相PWM技术。同一相的功率单元输出完全相同的基准电压(同幅度、同频率、同相位)。多个单元迭加后的输出波形如图5所示。
4.3系统结构与控制
(1)系统结构
整个系统有隔离变压器、3个变频柜和1个控制柜组成，参见图6。
图
a)隔离变压器
原边为星形接法，副边共有24个独立的三相绕组，为了适应现场的电网情况，变压器原边留有抽头
b)变频柜
A、B、C三相分装在3个柜内，可分别称为A柜、B柜、C柜
c)控制柜
柜内装有控制系统，柜前板上装有控制面板、控制接线排等。由于电压等级和容量的不同，不同机型的单元的数量不同，面板的布置也会有些不同。
4.4系统控制
整机控制系统有16位单片机担任主控，24个功率单元都有一个自己的辅助CPU，由8位单片机担任，此外还有一个CPU，也是8位单片机，负责管理键盘和显示屏。
(1)利用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率。
(2)控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况相同，这给整机可靠性、调试带来了很大方便。
(3)系统采用了先进的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相迭加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。
4
本公司分别于2002年8月、10月和2003年3月、4月分别在山东莱芜钢铁股份有限公司炼铁厂、辽河油田锦州采油厂、浙江永盛化纤有限公司应用了本公司生产的高压大功率变频器JD-BP37-630F2台、JD-BP38-355、JD-BP37-550F各1台。从运行情况看:
(1)变频器结构紧凑，安装简单
由于变频器所有部分都装在柜里，不需要另外的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等一系列其他装置，所以体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试方便。
(2)电机及机组运行平稳，各项指标满足工艺要求。
由变频器拖动的电机均为三相普通的异步电动机，在整个运行范围内，电机始终运行平稳，温升正常。风机启动时的噪音及启动电流很小，无任何异常震动和噪音。在调速范围内，轴瓦的最高温升均在允许的范围内。
(3)变频器三相输出波形完美，非常接近正弦波。
经现场测试，变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准，说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行，对电机无特殊要求。
(4)变频器运行情况稳定，性能良好。
该设备投运以来，变频器运行一直十分稳定。设备运行过程中，我公司技术人员对变频器输入变压器的温升，功率单元温升定期巡检，完全正常。输出电压及电流波形正弦度很好，谐波含量极少，效率均高于97%，优于同类进口设备。
(5)运行工况改善，工人劳动强度降低。
变频器可随着生产的需要自动调节电动机的转速，达到最佳效果，工人工作强度大大降低。
(6)变频器操作简单，易于掌握及维护。
变频器的起停，改变运行频率等操作简便，操作人员经过半个小时培训就可以全面掌握。另外，变频器各种功能齐全，十分完善，提高了设备可靠性，而且节电效果明显。以山东莱钢股份有限公司应用的JD-BP37-630F变频器为例，该系统生产周期大约为1h，出铁时间为20min，间隔约40min，系统配置电机的额定电流为80A，根据运行情况，及其它生产线的实际运行情况，预计该电机运行电流应在60A，以变频器上限运行频率45HZ时，电流为45A，间隔时间运行频率20HZ时，电流为20A。根据公式测算节能效果达到42.7%。
5结束语
从这几台这几个月的运行情况看，我公司自行研制生产的高压大功率变频器，运行稳定可靠，节能效果显著，改善了工作人员的工作环境，降低了值班人员的劳动强度。变频器对电机保护功能齐全，减少了维修费用，延长了电机及风机的使用寿命，给用户带来了显著的经济效益，深得用户好评。据专家估计我们国家6kV以上的高压大功率电机约有3万多台，约合650万kW，因此，高压大功率变频器的市场是极其广阔的。
大功率范文3
2、如果以前大功率电器可以正常使用，近期初心频繁跳闸的现象，就需要重点检查插座、空开部位，固定电源线的螺丝有没有松动。接触不良将造成线路的迅速升温，空开就会跳闸保护。
3、如果是近期添置的大功率电器使用时跳闸，也要分为几种情况。
4、如果是一插上就跳闸，还需要排查电器内部是否存在短路现象、漏电现象。这两个情况都会导致一通电就会跳闸。
5、如果使用不长时间才跳闸，则是由于过载引起的。这种情况下需要检查是该插座电线过细、空开过小。
6、还有一种情况是，在某一插座回路内本身已经安装有大功率电器，如果这个时候再接入大功率电器就会跳闸。
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一、结构模式对比
1、整体灯具结构对比
单片式LED灯具巧妙的将散热器和灯壳一体化设置,然后将LED光源固连于灯壳散热器导热基板,配光透镜与导热基板间形成的光源腔防护等级IP67,因此可以省略灯壳以及灯罩,灯具由灯壳散热器、LED光源、配光组件和驱动电源四大部件构成,最大限度地简化灯具结构,降低成本。
稀土大功率LED灯具除了结构简化外还集成了以下技术:散热器与灯壳一体化散热结构,单片式结构,使灯具完露在环境空气中,无蓄热空腔存在;稀土合金材料制作的散热器导热率高热阻低,稀土合金均温板结构设计使热量散发均匀,无高温区域;不同导热材料之间的精密配合技术和热变形模数匹配技术,使接触紧密、热阻低;使用高效导热介质材料,降低接触面热阻;运用空气动力学以及热力学原理设计穿孔立体网格状散热器形成“烟囱式”散热方式,加速空气对流循环,同时过孔结构使灰尘无处依附,保证了散热片与空气的直接接触面积;纳米的热辐射涂层,增加了灯具的热辐射能力。
2、光源封装结构对比
传统LED光源一般多为Ф5系列或瓦级单颗LED封装而成,功率和光通均较小,应用于大功率照明时就需多颗阵列排列实现大功率要求。其封装结构如图所示,透镜一般采用树脂材料制成,而树脂材料随着时间、温度以及紫外线的影响会变质发黄,引起LED光源光衰。
铜基镀银集成光源模块采用集成芯片封装技术在约2.5×2.5 cm的面积上实现单颗LED光源百瓦级、光通量可达10000lm以上,光源发光效率大于 100 lm/w,工作寿命大于50000小时。通过配光透镜的组合,使光照范围可控,照度均匀度高。
多颗集成封装时采用多颗LED光源集成封装在模块支架内实现照明用大功率要求。由于仅把LED晶粒集成封装,未从材料选用以及散热结构上多加改进,反而使光源的光效降低、结温升高、寿命缩短,光衰更为严重。
而先进的陶瓷基集成光源和室温液态金属集成光源,产品综合应用了稀土荧光粉、稀土陶瓷LED封装基板、稀土室温液态金属等新材料和工艺。
稀土荧光粉:实现荧光粉的激发波长与芯片的发射波长相匹配,大大提高光转换效率;稀土离子激活荧光粉材料,增加了稳定性,提高LED的光色质量和光效。
稀土陶瓷LED封装基板:采用高导热性能的稀土陶瓷LED封装基板代替传统的金属基板,减少热应力变形,提高LED光源的可靠性。
稀土室温液态金属:采用低热阻的稀土室温液态金属,取代传统的固晶银胶和导热膏做粘接剂和填充剂,打破了大功率LED光源到散热器的导热瓶颈,使LED晶片的结温接近散热器温度;
3、配光透镜结构对比
传统配光透镜一般树脂材料模压成型,适用于单颗封装LED光源的配光,新型配光透镜由光学玻璃制作而成,材料中添加稀土元素,降低透镜对光的吸收和修正折射率,减少光的色散;同时,在光学玻璃透镜上镀稀土化合物增透膜和减反射膜,增加光的透过率,减少光损和因透镜材料引起的光衰,为是灯具适合不同场合的配光要求,如下列几款产品:
二、稀土新材料的应用及其解决的技术问题
在大功率LED灯具设计制造的几个关键环节上创新性地集成应用了稀土材料技术,成功地将各种优秀的稀土材料技术集成运用于LED中、下游产品。逐一地攻克大功率LED灯具的光效、光衰、配光、光色、导热、散热、可靠性等LED照明灯具中的关键技术,形成了科学的系统解决方案。
① 在LED封装荧光粉中掺入稀土元素,实现荧光粉的激发波长与芯片的发射波长相匹配,大大提高光转换效率。采用低热阻的稀土室温液态金属,取代传统的固晶银胶和导热膏做粘接剂和填充剂,打破了大功率LED光源到散热器的导热瓶颈,使LED晶片的结温接近散热器温度;采用高导热性能的稀土陶瓷LED封装基板代替传统的金属基板,减少热应力变形,提高LED光源的可靠性。
大功率范文5
关键词:发光学;瓦级大功率白光LED;光色电特性;色温;色品坐标
中图分类号:O482. 31文献标识码:B
Photometric, Chromatric, Electric Characteristics of Watt-level High Power White LED
GUO Zhen-ning1, LIN Jie-ben1, LIU Kang1, LI Jian-gong1, HUANG Ming-bo1,
HUANG Zhi-wei1, WU Li-xing2, LIN Rui-mei3
(1. College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Quanzhou Fujian362021, China; 2. Quanzhou Zixin Optoelectronic Co., Ltd., Quanzhou Fujian 362000, China; 3. Xiamen Guangpu Electronic Co., Ltd., Xiamen Fujian 361006, China)
Abstract:Owing to the wide application and importance of watt level high power white LED in lighting area, the photometric, chromatric and electric characteristics of watt-level high power LED is researched. Based on high-power LED packaging equipment and UV-visible-near-ultraviolet spectroscopy system, the luminous flux, electrical power, luminous efficiency, emission spectra and color coordinates of a watt level high power LED is prepared and measured with different forward driving current IF. The experimental results show that the luminous flux and the electric power rise sub-linearly with the increase of IF, while a drop in conversion efficiency of phosphor affects its radiated power. When IF increases, the spectrum morphologies and the peak wavelength of white LED spectrum show a red-shift after the first slight blue-shift, while the yellow-green part of the spectrum shape has no significant changes. In addition, the color coordinates of x, y values become lower with the increase of IF, the dominate wavelength decreases, and the value of color temperature rises.
Keywords:luminescence; watt level high-power white LED; photometric chromatric electric characteristics; color temperature; color coordinate
引言
随着InGaN基蓝光芯片光提取效率的提升,白光LED被广泛应用于LED日光灯、LED天花灯、LED路灯等商业照明和普通照明领域。它具有低光衰、长寿命、高可靠性、低功耗等优点,是一种符合国家“节能减排”政策的绿色新光源。
白光LED制备的方法主要有三种[1-3]:(1)InGaN蓝光芯片激发YAG黄色荧光粉;(2)InGaN蓝光芯片激发红色荧光粉和绿色荧光粉;(3)紫外LED (UV-LED)激发红绿蓝(RGB)荧光粉。其中,第(1)种方法为目前照明市场上最主流的白光LED实现方案。光色电特性的测试是评价白光LED特别是高显色性白光LED性能的重要手段[4],人们普遍认为散热不良导致白光LED的光衰减和颜色漂移[5],而LED驱动电源输出电流的波动也严峻考验白光LED光色电参数的稳定性。因此,深入系统地研究瓦级大功率白光LED的光色电性能,对提高白光LED品质和制造白光LED照明灯具都有着十分重要的参考价值。
本文在研究InGaN蓝光LED光色电特性的基础上[6],封装并测试了瓦级大功率白光LED的光通量、电功率、发光效率、发射光谱和色品坐标等参数,同时深入分析了光色电参数的变化规律,并对其变化的具体原因进行了探讨。
1 实验
实验制备了瓦级大功率InGaN蓝光LED样品1、2和瓦级大功率白光LED样品Ⅰ、Ⅱ,样品1、Ⅰ与2、Ⅱ分别采用电极结构不同的InGaN蓝光LED芯片(芯片尺寸均为1×1mm),其发射峰分别为460～465nm、450～455nm。其中,样品1、Ⅰ为双电极(正装)结构,样品2、Ⅱ为单电极(垂直)结构。白光LED样品Ⅰ、Ⅱ的封装工艺为:首先用高导热银胶将芯片固化在镀银铜支架上,使用金球焊线机在芯片正负极各引两条直径为0.03mm的金线,涂敷一定配比的适量荧光粉与硅胶混合的荧光胶,然后盖上PC透镜,并填充高折射率硅胶后,在150℃条件下烘烤1小时,最后将支架用导热硅脂粘结在厚度约为1mm的梅花状铝基板热沉上,得到实验所需的白光LED样品。
样品的光电参数、色品质均采用杭州远方光电信息有限公司的LED300光色电综合测量系统进行测试与记录。该系统配有STC3000快速光谱仪和直径为0.3m的LED专用积分球,并内置量程为0～2,000mA的直流恒流源。在室温下,调节正向电流IF(间隔50mA),记录IF从50mA增大到1,000mA过程中样品的正向电压、光通量、电功率、光效、色坐标(x,y)、半波宽等。
2 结果与讨论
2.1 光通量、电功率与辐射功率
由图1和图2可见,样品Ⅰ、Ⅱ的光通量与样品1、2的光通量在正向电流IF增大的过程中变化趋势相近。随着正向电流IF的增大,样品Ⅰ、Ⅱ的光通量与正向电流的关系曲线的斜率减小,光通量趋于饱和,样品Ⅰ的正向电流大于800mA后光通量不再增加,而样品Ⅱ的正向电流大于800mA后光通量仍呈亚线性增加。原因是样品Ⅰ采用的蓝光芯片为正装结构,其PN结电流密度分布不均匀,而样品Ⅱ采用的蓝光芯片为垂直结构,其PN结电流密度分布较为均匀,有效避免了电流的拥挤效应,有利于载流子的有效复合和光通量的亚线性增大[7]。
如图3、图4所示,在0～1,000mA范围内,样品Ⅰ、Ⅱ与样品1、2的功率随IF变化的斜率是一致的。而随着电流的增大,样品Ⅰ与样品1、样品Ⅱ与样品2辐射功率的值产生分离,电流越大,分离越明显,如图5、图6所示。当电流增大时,蓝光LED芯片结温上升,其表面温度与荧光粉层互相影响,荧光粉转换效率下降,蓝光LED芯片在相同驱动电流的情况下比未加荧光粉时辐射功率下降。
2.2EL光谱
2.2.1EL光谱与正向电流
图7所示为样品Ⅱ的白光LED电致发光光谱图,随着驱动电流的增大,白光LED的光谱谱形发生一定的变化,其中蓝光波段光谱峰值随着正向电流的增大先发生蓝移,后产生红移[8-10]。蓝光峰值的微小偏移,使荧光粉激发效率略为下降,但黄光光谱形状基本保持不变。
2.2.2EL光谱的主波长、半高宽与正向电流的关系
如图8所示,样品Ⅰ的色温较低,即涂敷的荧光粉胶量大,在电流小于600mA时,蓝光不足以完全激发黄色荧光粉而呈饱和状态,白光LED光谱变化不明显,则主波长变化趋势小。当电流增大时,蓝光足够激发荧光粉,蓝色比增加,则主波长蓝移趋势较为明显。样品Ⅱ色温较高,即涂敷的荧光粉胶量小,主波长在电流逐步增大的过程中有明显的蓝移趋势。
样品Ⅰ、Ⅱ的光谱半高宽均出现宽化,与InGaN基蓝光LED测试结果基本一致[6]。出现宽化的原因有:(1)温度T随着IF的增大而上升,晶格振动能增大,处于激发态的电子先跃迁到较高的振动态,后跃迁至基态,使得白光光谱的蓝光峰逐步展宽;(2)在大电流情况下,载流子浓度上升,对能带起到一定的填充作用,使导带和价带能级加宽,导致InGaN基EL蓝光峰光谱宽化;(3)荧光粉的激发谱是宽光谱,荧光粉对蓝光LED峰值波长吸收的同时,也吸收激发谱范围内的其它蓝光LED光谱,使得蓝光峰的半高宽展宽5～10nm。
2.3色品坐标、色温与正向电流的关系
如图9所示,随着正向电流的增大,色坐标x, y均随之减小,颜色偏蓝。对于白光,通常用色温来表征其色度的差异,人眼能分辨的色温差异为50～100K[11]。如图10所示,随着正向电流的增大 (50～1,000mA),样品Ⅰ色温变化范围为1,091K,而样品Ⅱ色温变化范围仅为525K,其色度稳定性要比样品Ⅰ好。研究表明,白光LED色温随电流变化漂移量大小与芯片稳定性有重要的关系,即样品2、Ⅱ所采用的垂直芯片具有更好的稳定性[12]。
3结论
基于相同InGaN蓝光LED芯片,制备瓦级大功率白光LED和蓝光LED并测试其光色电参数,研究表明:白光LED的光通量、电功率、辐射功率、发射光谱、主波长、色品坐标、相关色温与其正向驱动电流有紧密的联系。白光LED的光通量、电功率、辐射功率均随着正向电流的增加呈亚线性增长,其φe-IF曲线在大电流时与蓝光LED的φe-IF曲线产生分离。随着IF的增大,白光LED光谱的蓝光峰先发生蓝移后产生红移,而黄光峰略有下降,但光谱形状基本不变;主波长有明显的蓝移现象,振动态、载流子对能带的填充作用以及荧光粉的宽光谱吸收,导致白光光谱的蓝光峰值半高宽逐步展宽。色品坐标(x,y)随着IF的增大均呈减小趋势,使得色温逐步上升。
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大功率范文6
近十年来，由于电子元器件及其应用产品的飞速发展，热损耗与热安全问题日益凸显，电子产品散热器作为散热功能性部件，在电子产品应用领域扮演越来越重要的角色。
深圳超频三科技股份有限公司（下称“超频三”，300647.SZ）的主营业务为电子产品新型散热器件的研发、生产和销售。目前公司主要散热器产品包括LED照明散热组件和PC散热配件。
2014-2016年，公司营业收入分别为35240万元、33575万元、34392万元；净利润4731万元、4927万元、5460万元，利润指标稳健增长。
大功率LED照明快速增长
目前，中国LED照明市场也已步入成长期。2014年，中国国内LED照明产品产量约16.7亿只，国内销量约7.5亿只，LED照明产品国内市场份额达到16.4%，比2013年的8.9%上升约7个百分点，其中商业照明呈现井喷式增长，公共照明增长迅速，家居照明开始启动。2015年，全球加速淘汰白炽灯，LED已成为照明的主流光源。2015年，中国国内LED照明产品产量约60亿只，国内销量约28亿只，LED照明产品国内市场份额达到32%。2016年，中国国内LED照明产品产量约80亿只，国内销量约38亿只，LED照明产品国内市场份额达到42%。从数据来看，中国LED照明市场处于快速增长的态势。
超频三于2012年率先研制能支持500W的集成式大功率LED照明散热组件，并于2014年再度成功研制能支持1000W的集成式大功率LED照明散热组件。公司由此成为LED照明行业少数具备提供集成式大功率LED灯具散热解决方案能力的企业之一，并迅速树立了大功率LED照明散热领导品牌地位。凭借在大功率LED照明散热技术方面的优势，公司不断加大产品研发力度，持m丰富产品线、拓展下游应用领域，形成了较为齐全的大功率LED照明散热组件产品系列。
公司产品结构和收入来源持续优化，2014-2016年，公司LED照明散热组件收入占比分别为51.66%、57.34%、61.03%，毛利率较高的LED照明散热组件产品收入占比逐年提高，成为公司主要收入来源。
CPU散热器品牌关注度居前
在PC行业整体增长趋缓的背景之下，PC散热配件行业逐渐步入成熟期。考虑一台台式PC一般配置CPU/显卡等两个散热器，2014年，全球台式PC散热配件市场容量为2.68亿个，市场容量较大。PC散热配件属于可更换部件，随着使用时间增加，散热配件性能可能不断下降或发生损坏，因而存在更换需求。PC行业经过多年发展，目前市场上PC具有较高的保有量。2012年，全国城乡居民家庭平均每百户计算机拥有量达到55.9台，比上年增加5.2台，全国居民家庭计算机保有量约为2.5亿台左右，同比增长11%。潜在的PC散热配件更换需求将释放PC散热配件行业一定的增量空间。
超频三自成立时起即从事CPU散热器的研发、生产和销售，通过对传统散热器的改进与创新，形成了一系列电子产品核心散热技术，建立了完善的产品销售网络。基于技术、生产工艺及销售渠道的共通性，公司进一步研发了显卡散热器、内存散热器等散热产品，积极拓展在PC散热配件领域的业务。经过长期的技术积累与市场沉淀，目前，公司PC散热配件在业内享有良好的口碑及较高的市场占有率。2012年，中国PC组装机散热器市场，超频三品牌关注度为34.9%，排名深圳市市场第二；在细分的CPU散热器市场，超频三品牌关注度为36.5%，位列品牌关注榜第二位。公司PC散热配件业务属于公司发展较为成熟的业务。