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周敏捷 綠色環保時代的來臨對能源的高效率利用提出了更高的要求，照明技術作為最早推動電網建設的民用技術，同樣也正在進入一個由傳統的熱光源照明轉向以LED等高效節能技術為主導的冷光源照明時代。大功率LED工藝及其驅動技術無以將是這場變革中的核心技術。對于大功率LED的驅動及LED本身的工藝，業界已經有了許多探討，相關產品及方案也正如雨后春筍般出現在市場上。然而困擾著所有LED從業人員的依然有兩大關鍵問題尚未能完美解決，其一為LED生產及其驅動電路的制作成本，相對于傳統照明系統而言略顯高昂，另一個問題就是LED本身的發熱及散熱問題始終是目前困擾開發人員的最大難題。相對而言，成本問題會隨著技術的進步和成本控制的優化逐步可以得到解決，而LED的散熱問題則成為了目前阻礙LED技術推廣的主要瓶頸。本文所介紹半導體制冷技術并不是一種近期新興的技術，但是將其與目前的大功率LED照明相結合，特別是應用在功率輸出極大的特種領域，將能非常有效地降低LED工作溫度，有效地延長LED使用壽命及改善發光亮度和顯色性等問題。 所謂半導體制冷是指通過半導體器件來實現溫度冷卻，從而有效控制半導體周圍環境溫度的技術。傳統制冷技術是通過卡諾熱機的原理，利用制冷劑的多態循環來實現溫度的控制，因卡諾熱機結構復雜且需要壓縮機等部件，使得傳統制冷設備的體積往往非常龐大，一般都是用于大型電器設備上。而半導體制冷相比于傳統制冷設備有著體積小，無運動部件，制冷溫度精確可控，設備簡單等優點。特別是結構簡單且體積小這項優點，極適合于將其應用于小型電子設備中，實現對設備關鍵部件的降溫，使關鍵部件可以工作于最佳的溫度狀況中。 半導體制冷又稱熱電制冷，是一項早在20世紀50年代就開始發展起來的技術，其基本原理基于五大熱點效應：塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應和傅利葉效應。 目前所討論的半導體技術一半都是基于珀爾帖效應的。 珀爾帖效應是1834年由法國科學家珀爾帖發現的。他曾經通過實驗發現由N、P型材料組成得一對電偶，當通入直流電流后，因電流通入的方向不同，會在電偶結點處產生吸熱和放熱現象，其原理可解釋為：電荷載體在導體中運動形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它們從高能級向著低能級運動時就會釋放出多余的能量，表現出放熱；反之當他們從低能級向著高能級運動時，就會從外界吸收能量，表現出吸熱制冷的效果。在半導體中，當電流由N結流向P結時，就會產生吸熱現象，而當電流從P結流向N結時就會產生放熱現象，這種現象就稱之為珀爾帖效應。根據此原理所做成的珀爾帖效應熱泵，就是利用P型和N型半導體粒子按照一定的規則排列，將它們用金屬連接片焊接成一個電偶對，接上直流電源后將電流從N極流向P極的那端作為冷端，用于制冷，而將P極流向N極的一端作為熱端，用于放熱。本質上，該器件就是一個將熱量從一端移動到另一端的能量泵。其原理如圖1所示 
圖一 目前國內較為常用的P型和N型制冷半導體材料為以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直區熔法提取晶體材料。圖二a和圖二b分別為一個常用半導體制冷模塊的實物照片。
圖二a 正視圖
圖二b 側視圖 一般來說半導體制冷器件的體積可以做得很小,相比于傳統壓縮機的制冷技術，可以更方便地用于對電子電氣設備的降溫,且制冷器可以做成各種形狀的貼片結構,貼附在芯片等關鍵發熱元件的表面,以實現散熱降溫的效果。其實這一技術在一些特定領域已經有了一些廣泛的應用，比如曾經有PC機的超頻愛好者，利用這種結構的半導體制冷器，將CPU滿負載時的表面溫度降到了－3攝氏度，從而使得CPU的工作主頻順利升到了正常水平的50％以上。 如果用半導體制冷器件對特大功率的LED進行降溫，也同樣可以達到優化LED工作狀態的效果，從而延長LED的壽命，改善LED發光的色溫及一致性等問題。對于大功率LED照明來說，70％以上的故障都是由于LED溫度過高所導至的。LED結溫的升高會導致器件各方面的變化與衰減，這種變化主要體現在三個方面：一，減少LED的外量子效率；二，縮短LED的壽命；三，造成LED發生光的主波長偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。其中器件的外量子效應是與LED光效直接相關的量，外量子效率的下降會致使LED光效的降低。隨著LED結溫的上升，白光LED發光的主波長會向長波方向移動。圖三ab所示分別為LED結溫與光效率的關系及結溫與LED壽命的關系。
圖三a
圖三b 當LED的結溫達到125攝氏度以上時，LED的發光效率就會顯著下降，故障率較之100攝氏度時會上升兩倍以上。一般情況下，當LED在額定功率一半以上工作時，溫度每升高20度，故障率就會提高一倍。 而通常照明LED為了提高散熱的效果，會將多顆LED以一定間隔排列，這又會導至LED的聚光效果不夠理想，影響了照明的效果，降低了總體發光效率。通過給大功率LED的鋁基板增加半導體制冷功能，將LED的發熱由制冷模塊快速地傳遞到另一端，同時對另一端進行散熱，就能有效地降低LED工作時的環境溫度。該基板結構可以做成如下圖四的形式：
圖四 該基板還能根據具體應用的需要做成各種形狀，如筒狀或者拋物面型等。這樣可以更有效地將多顆LED的位置進行光學優化分布。從前文的圖三中可以看出，如果將LED的環境工作溫度始終保持在100度以下，那么其光輸出效率和壽命將比125度以上工作環境下有大大地改善。這種改進對于有超大功率應用如汽車前燈照明，路燈照明等領域有著特別顯著的實際意義。 |
