復(fù)旦大學(xué)-周太明教授-白光LED光源和燈具的技術(shù)現(xiàn)狀及展望課件

白光LED光源和燈具的

技術(shù)現(xiàn)狀及展望

----2014DOE文件解讀復(fù)旦大學(xué)周太明白光LED光源和燈具的

技術(shù)現(xiàn)狀及展望

----2014DO白光LED光源的光效白光LED燈具的性能白光LED的研發(fā)白光LED光源的光效2023/8/10白光LED光源的光效2023/8/8白光LED光源的光效

光源的光效式中，P?表示光源的光譜功率分布函數(shù)，V(?)是明視覺條件下人眼的光譜光效率函數(shù)，Pin是光源的輸入功率，Km=683lm/W。光源的光效式中，P?表示光源2023/8/10在上式中:PCE(PowerConversionEfficiency)--輸入電功率轉(zhuǎn)換成(可見)光功率的效率;LER(LuminousEfficacyofRadition)--當(dāng)PCE=1時,光源的(理想)光效(lm/W).2023/8/8在上式中:2023/8/10白光LED有三種主要的實現(xiàn)方法:(i)混色LED(cm-LED)；(RGB,RGBA)(ii)熒光粉轉(zhuǎn)換LED(pc-LED)；

(iii)混合型LED。

混合型LED是將一種或多種單色LED和pc-LED組合而成。下頁圖是對白光(3000K,Ra85,R9>0)的模擬光譜2023/8/8白光LED有三種主要的實現(xiàn)方法:2023/8/102023/8/82023/8/10在視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞:錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞;錐狀細(xì)胞又細(xì)分為三種,分別負(fù)責(zé)感受藍(lán)光、綠光和紅光。(a)眼睛截面圖;(b)視網(wǎng)膜上有錐狀和桿狀感光細(xì)胞。2023/8/8在視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞:錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞2023/8/101973年的能源危機(jī)刺激了對光源的研究。隨著色覺研究的進(jìn)展,美國的桑頓和荷蘭的凱丹等人研究發(fā)現(xiàn):如果光源的可見輻射集中在藍(lán)、綠和紅三個狹窄的波長區(qū)域內(nèi),就能在具有高光效的同時具有很好的顯色性能。這一研究結(jié)果具有很大的價值:它改變了原來人們以為只有發(fā)射連續(xù)光譜的光源才有良好的顯色性這一不完整的看法。為開發(fā)同時具有高光效和良好顯色性的光源奠定了理論基礎(chǔ)。2023/8/81973年的能源危機(jī)刺激了對光源的2023/8/10采用三窄帶稀土熒光粉(Threenarrowbandsemission)的熒光燈的光譜2023/8/8采用三窄帶稀土熒光粉(Thr2023/8/10

Haitz博士等開始總是認(rèn)為采用混色的方法來產(chǎn)生白光要比采用熒光粉的方法好。這是因為采用熒光粉的方法時，由于將藍(lán)光轉(zhuǎn)換成更長的波長時的Stokes位移，會產(chǎn)生20%～25%的能量損失。

但是，由于所謂的GreenGap效應(yīng)，目前LED芯片材料在綠光區(qū)域的外量子效率很低。而這一部分的光正好位于人眼視覺最為靈敏的區(qū)域，對于光源的輻射總光通量至為關(guān)鍵。另外，控制問題也較復(fù)雜。然而迄今為止事實證明他們錯了：熒光粉轉(zhuǎn)換型的白光LED燈持續(xù)占據(jù)著統(tǒng)治地位，被認(rèn)為是比混光方式更好的產(chǎn)生白光LED燈的方法。2023/8/8Haitz博士等開始總是認(rèn)為采2023/8/10GreenGap2023/8/8GreenGap2023/8/10為何現(xiàn)在白光還是為pc-LED主？有以下幾個原因：第一，在可見區(qū)效率的改進(jìn)是不平衡的。自1999年到2010年間，在85℃時，激發(fā)熒光粉用的藍(lán)光LED的效率提高了5倍，而紅光、黃光和綠光LED的效率只提高了2～3倍。第二，大功率封裝的發(fā)展速度比預(yù)想的更快，采用PC技術(shù)更有用，2010年時,采用單顆LED燈可以很容易地獲得1klm的光。尤其是采用2×2mm2的芯片的冷白光PC-LED燈可以工作于10W，光效達(dá)100lm/W，產(chǎn)生1klm的光通量，壽命50000h。如果壽命只要3000h，該燈可以工作于25W，產(chǎn)生2klm的光。事實上，將4個3×3mm2的芯片緊貼著封裝在一起，可以將輸入功率增加到100W，產(chǎn)生6klm的光，而且壽命還可達(dá)到50000h。根據(jù)后面將要討論的光效的改善，這一技術(shù)可以很容易地擴(kuò)展到需要20klm和3000h的照明應(yīng)用。2023/8/8為何現(xiàn)在白光還是為pc-LED主？有以下幾個2023/8/10第三，我們認(rèn)識到白光LED燈顏色穩(wěn)定是很重要的。人的視覺系統(tǒng)對于白光的色品正確與否是極其敏感的。對將4～6種單色LED進(jìn)行混光所獲得的白光LED燈，要想使其光色不隨溫度而變，就需要考慮這4～6種單色LED對溫度不同的依賴關(guān)系。這樣就要求有4～6個獨立可控的反饋回路和驅(qū)動電路。激發(fā)用的藍(lán)光LED和轉(zhuǎn)換的熒光粉遠(yuǎn)不像紅光和黃光LED那樣對溫度敏感。此外，藍(lán)光LED和所用的熒光粉在100℃以上的高溫下可以很好地工作。這些特性使得我們可以設(shè)計出這樣的PC-LED白光燈，即使對大范圍高容量的應(yīng)用，在允許的溫度范圍內(nèi)光色和光輸出能維持穩(wěn)定。Haitz博士等半導(dǎo)體物理學(xué)家對這些照明要求的理解不夠，因此造成失察。第四，傳統(tǒng)照明技術(shù)并不需要協(xié)調(diào)色調(diào)，因而對于這些性能沒有強(qiáng)烈的迫切要求。固態(tài)照明的供應(yīng)商依然在為光通量、價格和光的質(zhì)量等要求而奮斗；使用者通常則是關(guān)注于“最適當(dāng)?shù)摹⒆銐蚝玫陌坠狻钡慕鉀Q方案。2023/8/8第三，我們認(rèn)識到白光LED燈顏色穩(wěn)定是很重要2023/8/10第五，覆蓋綠-紅波長范圍的優(yōu)質(zhì)熒光粉已經(jīng)開發(fā)成功，它們的內(nèi)量子效率極高，而且具有很好的熱和環(huán)境穩(wěn)定性。這些熒光粉中的某些粉價格還是不便宜的。然而，與熒光燈和緊湊型熒光燈相比，PC-LED所用的粉量是非常少的。因此如果考慮到其他技術(shù)的費用的話，熒光粉在SSL燈的全部成本中所占的比例或許可以忽略不計?，F(xiàn)今PC-LED已經(jīng)普遍使用，而混色白光LED則被用于要求實時色品調(diào)節(jié)的特殊市場。而且在今后的一段時間也會是如此。不過我們必須強(qiáng)調(diào)，對更長遠(yuǎn)將來的情形目前尚不清楚?，F(xiàn)今的混色白光LED的缺點之一是反饋回路復(fù)雜且價格高；然而如果色品數(shù)字控制成為燈一個重要性能要求的話，采用混色的方式反倒有優(yōu)勢了。此外，盡管現(xiàn)在反饋回路的實現(xiàn)代價太高，但是將來或許并非如此。由于$/lm持續(xù)下降，當(dāng)降到某一程度時與運轉(zhuǎn)費用相比燈的價格已經(jīng)不重要了。那時照明業(yè)界將希望燈能增加一些新的性能，從而由燈的身上獲得更多的利潤。色品控制可能就是一個這樣的性能。2023/8/8第五，覆蓋綠-紅波長范圍的優(yōu)質(zhì)熒光粉已經(jīng)開發(fā)2023/8/10

下面我們將要重點研究當(dāng)白光LED光源的輸入電功率全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣夤β蕰r，也就是PCE(PowerConvertionEfficiency)=1時，它的光效值，即

LER(LuminousEfficacyofRadition)2023/8/8下面我們將要重點研究當(dāng)白光LED光源2023/8/10

光源的LER(LuminousEfficacyofRadition)的值取決于光源在可見光區(qū)的光譜功率分布。下面以RGB和RGBA的cm-LED為例加以說明。2023/8/8光源的LER(Luminous2023/8/10

RGBcm-LED白光光譜（(3000K,85CRI,R9>0)白熾燈的光譜2023/8/8RGBcm-LED白光光譜（(3000K2023/8/10LED光源最大的理想光效是當(dāng)其輸入電能全部轉(zhuǎn)換成(可見)光輻射時的光效(LER)--輻射的光效(luminousefficacyofradiation)。美國NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)的YoshiOhno和WendyDavis已經(jīng)研究出具有良好顯色性且具有最大的理想光效LERmax的LED光源的最佳發(fā)射光譜,得到LERmax為350to450lm/Woptical。而某一具體光源實際可能獲得的理想光效記為LER。2023/8/8LED光源最大的理想光效是當(dāng)其輸入2023/8/10采用NIST的模型(7.5版本)估算一系列CCT/CRI組合的LED的光效。在上圖中給出了窄帶單色RGBcm-LED的典型模擬光譜。為比較起見，圖中還加入了白熾燈的光譜。對圖中cm-LED的光譜，我們根據(jù)對色溫和顯色指數(shù)的要求，已經(jīng)對峰值波長、它的光譜寬度和強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化以便獲得最大的LERmax。在這里，我們選擇要模擬的條件是：色溫為3000K的暖百光，顯色指數(shù)CRI為85，R9>0。如果放寬對CRI和R9的要求，則可以獲得更大的LERmax，但是光的質(zhì)量就會下降。2023/8/8采用NIST的模型(7.5版本)2023/8/10

對理論上最佳的性能情況，一旦最佳光譜和相應(yīng)的LER已經(jīng)確定，我們就可以計算出LED理論上的最大光效。對由幾個單色光混色而得的光源，可以將光譜中每一單色光峰值對于LER的貢獻(xiàn)與那個單色光的功率轉(zhuǎn)換效率(powerconversionefficiencyPCE）相乘得到其光效。分析中所采用的PCE的值是假定工作于電流密度為35A/cm2和環(huán)境溫度為250C的條件下獲得的。2023/8/8對理論上最佳的性能情況，一旦最佳2023/8/10對RGBcm-LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源估算的光效。2023/8/8對RGBcm-LED（CCT302023/8/10對RGBAcm-LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源估算的光效。2023/8/8對RGBAcm-LED（CCT3002023/8/10

上面兩個表給出了對cm-LED的分析結(jié)果。對于三色RGB和四色RGBA的光譜計算得到的LER值都約為400lm/W。在兩種情況下，我們假設(shè)每種單色LED光譜的半峰全寬度FWHM（fullwidthathalf-maximum）都取中等值20nm。為了計算光源的光效，我們要知道每種單色LED光源的PCE數(shù)值。在表中，我們提供了兩套數(shù)據(jù)：一是現(xiàn)今的典型值，另一是2020年的目標(biāo)值。采用這些數(shù)據(jù)可計算得到：RGB現(xiàn)今的光效為133lm/W，RGBA為85lm/W；而采用2020年的目標(biāo)數(shù)據(jù),它們則分別增加到191and153lm/W。2023/8/8上面兩個表給出了對cm-LED的2023/8/10上面的這些計算的數(shù)據(jù)沒有考慮顏色混合時的附加損失。RGBA組合的光效之所以較低，是由于琥珀色LED光源的PCE數(shù)值低。將琥珀色LED光源和綠色LED光源的PCE的值都增加到與紅色LED光源的目標(biāo)值一樣，即55%時，將會使這兩種結(jié)構(gòu)的LED光源的光效提升至230lm/W。如果要想使光源的光效達(dá)到250lm/W的目標(biāo)，則紅、綠和琥珀色LED光源的PCE數(shù)值都要達(dá)到60%。2023/8/8上面的這些計算的數(shù)據(jù)沒有考慮顏色2023/8/10

*考慮了Stokes損失和熒光粉的量子效率以及藍(lán)光LED的PCE

對pc-LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源估算的光效2023/8/8*考慮了Stokes損失和熒光粉的量子效率2023/8/10

上表給出了對pc-LED分析的結(jié)果。在pc-LED的情況中,寬帶熒光粉發(fā)射光譜的長波方向上有相當(dāng)?shù)牧渴窃诩t外區(qū)域,造成光效的下降。此外Stokes效應(yīng)也要產(chǎn)生不可避免的損失。為了探索窄帶紅色熒光粉的好處,以及評估其他的優(yōu)化熒光粉的影響,我們采用NIST的三色LED模型,假定綠粉的FWHM為100nm,紅粉的FWHM為110nm,對pc-LED的光譜進(jìn)行料模擬。對CCT3000K和CRI85的情況,我們得到最大的LER為316lm/W,得到現(xiàn)今的光效為123lm/W。基于寬帶熒光粉的目標(biāo)光效為189lm/W;然而考慮到在預(yù)期的熒光粉FWHM值的減小,這個目標(biāo)光效要做調(diào)整。2023/8/8上表給出了對pc-LED分析的結(jié)果例如當(dāng)紅粉的FWHM值減小到50nm時,LER值增加到361lm/W,光效達(dá)到223lm/W。而將綠粉和紅粉的FWHM值都減小到50nm時,LER升至375lm/W,光效達(dá)到232lm/W。如果進(jìn)一步將熒光粉的FWHM減小到我們的目標(biāo)值30nm,則LER達(dá)到395lm/W,光效為247lm/W。作為一個實際上很相近的例子是LuxeonTX的光譜,其色溫為3000K,CRI85。它是采用稍微狹窄的綠光熒光粉,其LER約為320lm/W,光效124lm/W。該光效值與報道的在35A/cm2電流密度下工作得到的光效122lm/W非常好地符合。例如當(dāng)紅粉的FWHM值減小到50nm時,LER

對混合型LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源預(yù)測的光效*考慮了Stokes損失和熒光粉的量子效率以及藍(lán)光LED的PCE對混合型LED（CCT3000K，CRI85，R9

由于缺少可用的窄帶紅粉，迫使人們想到開發(fā)混合型的方法，采用FWHM窄約20nm的紅色LED替代紅色熒光粉。在上頁表中給出了對混合型LED的分析。在這一情況下，LER大約為368lm/W,光效為165lm/W左右。根據(jù)器件性能的目標(biāo)值,盡管還是依靠寬帶的綠粉,但光效估計可升到231lm/W。如將綠粉的FWHM降低到我們的目標(biāo)值30nm,則光效上升至244lm/W。此一分析清楚顯示了窄帶綠粉和紅色LED發(fā)射光譜所能提供的好處,由于已有窄帶的紅色光源(是指紅光LED),因而在短期內(nèi)采用混合型的方法還是一個可行的替代方案。盡管紅色LED能夠有明顯的好處，但是基于通常的AlGaInP的紅色LED與基于GaN的藍(lán)色LEDs的熱性能有很大差異，因此需要控制系統(tǒng)，增加了復(fù)雜性。由于缺少可用的窄帶紅粉，迫使人們想到開發(fā)混合型的

對于熒光粉轉(zhuǎn)換的光源，需要將熒光光譜包絡(luò)的每一點與下轉(zhuǎn)換量子效率及Stokes損失相乘，然后積分。為簡化起見，我們選擇采用單一的更重要的轉(zhuǎn)換效率來代表轉(zhuǎn)換效率，以及基于發(fā)射光譜峰值的單一的Stokes損失值。由于熒光粉發(fā)射是相當(dāng)寬的，而且是不對稱的，尤其是綠色熒光粉，因而此一假定是不夠精確的。然而對于我們的分析而言，它還是能夠給出一個合理的估計。對混合型的LED光源，我們將這兩種方法結(jié)合起來使用，從而來計算其光效。對于熒光粉轉(zhuǎn)換的光源，需要將熒光光譜包絡(luò)的每一點

對上述三種主要封裝結(jié)構(gòu)的冷白光LED（色溫6200K，CRI70）也進(jìn)行了類似的分析。對采用寬帶熒光粉的pc-LED得到LER為325lm/W，目前的光效為143lm/W，目標(biāo)光效為217lm/W；但是，R9不能得到正值。將綠粉和紅粉的FWHM值都減小到30nm，LER上升至359lm/W，光效達(dá)到241lm/W(而且R9>0)。冷白光結(jié)構(gòu)的最高光效之所以比暖白光低一點點，很可能是由于采用了簡化模型的關(guān)系。在這些光譜中紅光的量比較少,因而在pc-LED和混合型LED之間的差別相對較小。采用較窄的紅光LED，轉(zhuǎn)換效率稍有上升，從而使采用現(xiàn)在的數(shù)據(jù)時混合型LED的光效提升6-7%；但是如果采用目標(biāo)的數(shù)據(jù)時，則光效的增加并不明顯。然而,綠粉的FWHM的減小對于光效有很顯著的影響。

對上述三種主要封裝結(jié)構(gòu)的冷白光LED（色溫620對于冷白光cm-LED的分析，得到LER為360lm/W,現(xiàn)今的光效為120lm/W,目標(biāo)光效178lm/W。如同對暖白光cm-LED的情況一樣，綠色LED的PCE值低，嚴(yán)重限制了器件的光效。將綠色LED的PCE值提升到55%，以與紅色LED相匹配，則光效可升高到222lm/W。將綠和紅兩種LED的PCE值都提升到65%，則光效將推升至250lm/W。對于冷白光cm-LED的分析，得到LER為360對cm-LED、pc-LED和混合型LED加以比較，可以獲得如下幾個關(guān)鍵結(jié)論：

在短時期內(nèi)，由于已有窄帶紅色LED，混合型的LED可提供的光效最高；然而由于紅色LED高度的熱敏性，會附帶來一些實際的問題。

只要有效的窄帶紅粉和綠粉（FWHM小于50nm）能夠開發(fā)出來，則pc-LED可與混合型的LED相比美。

只有當(dāng)綠色LED和黃/琥珀色LED的PCE值提升到60-70%時，cm-LED光效的潛力才能發(fā)揮出來，超過pc-LED和混合型的LED。

在電流密度為35A/cm2和環(huán)境溫度為250C的條件下工作時，最高預(yù)期的光效約為250lm/W。對cm-LED、pc-LED和混合型LED加以比較，可以獲得GeorgeCraford博士是LumiLeds的CTO,曾經(jīng)獲得2002年美國國家技術(shù)獎去年底在北京的CAS會議休息時，與他討論白光LED的最高光效問題，他認(rèn)為考慮到照明對于顯色性的要求，最高的光效約為250lm/W。GeorgeCraford博士是LumiLeds的CTO,

在實際應(yīng)用中,電流密度和工作溫度常?？赡芷x我們進(jìn)行上述分析時所采用的值,這將對光效產(chǎn)生影響。降低工作電流以減小”電流下降”效應(yīng),可以使光效提高15-20%。典型的燈和燈具的工作溫度總會高于250C,這會造成光輸出的減少,光效也相應(yīng)下降?，F(xiàn)在許多光源常規(guī)測量是在850C下進(jìn)行，這也就接近器件的工作溫度，這時的光效將要比250C時降低10-13%。減小電流密度對內(nèi)量子效率(IQE)的影響（即減小“電流下降”效應(yīng)），對于改善光效和降低成本具有重要的意義。同樣，減小LED封裝的熱敏性可以使LEDs的驅(qū)動電流更大，發(fā)出更多的光，而又不會犧牲光效。有關(guān)這些光效損失以及其他損失的的更詳盡的分析在接下去的部分就會討論。在實際應(yīng)用中,電流密度和工作溫度常?？赡芷x我暖白光(3000K)

pc-LED封裝光損失的各種因素和效率值暖白光(3000K)pc-LED封裝光損失的各種因素和效率

上頁的表總結(jié)了在暖白光pc-LED封裝中各種原因引起的效率損失。對于每一種損失因素又給出現(xiàn)今效率的估計,以及達(dá)到2020年目標(biāo)時潛在的改善空間值(溫度25°C,電流密度為35A/cm2)。封裝損失包括藍(lán)光LED固有的因素（例如，電效率，內(nèi)量子效率，光取出效率），其他損失因素主要歸咎于熒光粉（例如，轉(zhuǎn)換效率，散射/吸收效率）。這里給出的LED封裝效率是在25°C和35A/cm2的條件下得到;另外,分析是針對CCT3000KCRI85的情況進(jìn)行的。不同的CCT/CRI組合的情況將導(dǎo)致稍稍不同的結(jié)果。上頁的表總結(jié)了在暖白光pc-LED封裝中各種原因引

對于暖白光cm-LED上表給出了與前面相類似的分析。這里是采用三種單色LED（紅綠藍(lán)）的情況。雖然此一分析類似于pc-LED的情況，但是由于缺少這種類型的商業(yè)產(chǎn)品，從而使得這一現(xiàn)狀分析只是對我們現(xiàn)在所能做到的事情的一個估計。對于暖白光cm-LED上表給出了與前面相類似的分

如上表所示，高效綠色LED的缺少使得現(xiàn)今cm-LED的性能受到嚴(yán)重的限制。cm-LED并不會遭受Stokes損失，從理論上來說它應(yīng)該具有比pc-LED更高的光效；然而此一收益又會為混色光學(xué)的需求抵消掉一些。另外對于采用混色的燈具，還需要考慮光色穩(wěn)定性的問題，這樣就會增加驅(qū)動電路的復(fù)雜程度和成本。如同早先討論過的一樣，要獲得不同色溫和顯色性還有如混合型LED的其他選擇。實際上，采用混合型方式的高光效暖白光LED燈具自2009年就已上市，但是混合型LED也存在光色穩(wěn)定性的同一問題。如上表所示，高效綠色LED的缺少使得現(xiàn)今cm-LE

采用窄線寬光源的混色途徑將期望會產(chǎn)生最高可能的光效。現(xiàn)今綠色和琥珀色LED的低效率嚴(yán)重抑制了cm-LED的性能,要實現(xiàn)250lm/W的最終目標(biāo)就要求這兩種單色光源的PCE值有重大的改善。然而,采用現(xiàn)今的材料、系統(tǒng)和設(shè)計,要達(dá)此目的或許是不可能的。結(jié)果,創(chuàng)新的工作就成為要優(yōu)先考慮的問題。原則上來說,只要能夠開發(fā)出帶寬足夠窄的熒光粉，采用pc-LED或混合型LED的方式也能夠?qū)崿F(xiàn)250lm/W的最終目標(biāo)。因此，開發(fā)高效且穩(wěn)定的窄帶下轉(zhuǎn)換材料也是另一個要優(yōu)先考慮的問題。采用窄線寬光源的混色途徑將期望會產(chǎn)生最高可能的光效白光LED燈具的性能白光LED燈具的性能

LED燈具的性能首先依賴于LED光源本身的性能。將LED光源與其他元件集成為燈具時,會帶來一些附加的效率損失,這是由驅(qū)動電路、光學(xué)設(shè)計和熱管理造成的。LED燈具的性能首先依賴于LED光源本身的性能LED燈具與現(xiàn)在傳統(tǒng)燈具光效的比較LED燈具與現(xiàn)在傳統(tǒng)燈具光效的比較

上頁圖給出LED燈具與現(xiàn)在傳統(tǒng)燈具光效的比較。如圖所示,LED產(chǎn)品在幾年內(nèi)有望超過絕大多數(shù)傳統(tǒng)燈具,在這個十年內(nèi)達(dá)到大于200lm/W的光效。下頁表比較了一些現(xiàn)有的SSL燈具產(chǎn)品與傳統(tǒng)照明技術(shù)的性能。SSL燈具從形狀因子、光效、光色質(zhì)量、壽命和色溫等指標(biāo)來細(xì)分,包含了很廣大范圍,具體需要采用那些指標(biāo)值要根據(jù)應(yīng)用場合產(chǎn)品的質(zhì)量和在燈具中采用的技術(shù)方法而定。LED光源和燈具的性能覆蓋了很寬的范圍，光效從10lm/W到大于100lm/W,CCT從2700K到6500K，CRI從60到大于90。這些變化使得我們在比較產(chǎn)品、說明其性能和選擇產(chǎn)品時，增加了復(fù)雜性和難度。上頁圖給出LED燈具與現(xiàn)在傳統(tǒng)燈具光效的比較。如復(fù)旦大學(xué)-周太明教授--白光LED光源和燈具的技術(shù)現(xiàn)狀及展望ppt課件上頁表的附注：1.BasedonPhilips’LPrizewinningA19lamp.2.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeLRP38-10L-30Klamp.3.BasedonLightingFactsdatabaseforHubbellLightingPrescoliteLB6LEDA10L35KWH.4.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeCS24-40LHE-30Kluminaire.5.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeCS18-80LHE-35Kluminaire.6.BasedonAcuityBrandsluminaires.7.Includesballastlosses.上頁表的附注：上表中給出了各項因素對暖白光LED燈具光效的影響解析。上述這些圖表應(yīng)該看成是SSL性能最一般的情況。上表中給出了各項因素對暖白光LED燈具光效的影響解析。

在給定的工作電流下LED光源的光效代表了LED燈具光效的上限。在燈具中，光效因為光學(xué)效率、驅(qū)動電路效率以及熱管理效率的因素而被降低，就如同在上圖中所示。整體效率特別與熱管理的關(guān)系較大。由于LED光源并不輻射熱，所以必須通過燈具自身來散熱；這與普通光源的燈具情況不同。在給定的工作電流下LED光源的光效代表了LED燈熱造成的損失是指當(dāng)LED工作于更高的工作溫度時效率的下降。在LED燈具中,LED封裝的工作電流和環(huán)境溫度決定了LED封裝的的實際工作溫度和它的熱效率。改善熱管理或者減小工作電流就能降低LED的工作溫度,提高LED的光效。燈具開發(fā)者注意到:在燈具的熱通道上減少些熱界面可以改善燈具的熱管理,從而改善其熱效率。他們不是先將LED光源安裝在線路板上,然后再裝到熱沉上;而是只要可能的話,就將LED光源直接安裝到熱沉上,從而減少了熱界面。熱造成的損失是指當(dāng)LED工作于更高的工作溫度時效具體的光學(xué)設(shè)計取決于燈具中的光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)照明產(chǎn)品的應(yīng)用場合,要求的光型分布和需要的照明產(chǎn)品的形狀因子,透鏡、光學(xué)混合腔、遠(yuǎn)程熒光粉以及漫射器等均可應(yīng)用。

在某些應(yīng)用中設(shè)計得很好的燈具,因光學(xué)設(shè)計造成的效率損失小于10%;新的途徑甚至損失得更少。例如,在某些街燈的設(shè)計中,已經(jīng)將特別的透鏡功能集成到LED封裝的一次光學(xué)包中,因而不再需要二次光學(xué)設(shè)計,這樣在附加的界面上就減少了由于光學(xué)設(shè)計造成的損失。具體的光學(xué)設(shè)計取決于燈具中的光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)照明產(chǎn)品LED燈具驅(qū)動電路的效率是指將交流市電轉(zhuǎn)換成適合于LED工作的低壓直流電的效率。調(diào)光工作時,電源的效率可能并非是始終如一的。不同的照明應(yīng)用和產(chǎn)品光輸出的范圍很廣,在各種各樣的電路結(jié)構(gòu)中要求不同數(shù)量的LED光源。各種燈具結(jié)構(gòu)的范圍使得我們很難只采用單一的標(biāo)準(zhǔn)電源結(jié)構(gòu)或模組。在新的LED封裝中,封裝時自身已經(jīng)加入了某些電源功能。交流LED封裝被設(shè)計成能直接工作在交流市電下工作。高壓LED由于升高了封裝體的工作電壓,減少了驅(qū)動電路的效率損失--這可能與驅(qū)動電流的減小有關(guān)。燈具設(shè)計者可以采用這些技術(shù)改善燈具中電源的效率,降低成本。LED燈具驅(qū)動電路的效率是指將交流市電轉(zhuǎn)換成適合

燈具的有效效率還受到光利用效率的影響,所謂利用效率是指燈具所發(fā)出的光有多少能夠達(dá)到需要照明的目標(biāo),產(chǎn)生合適的照明。例如,與其替代的傳統(tǒng)照明產(chǎn)品相比,新的LED街燈可以使用少得多的光輸出而達(dá)到同樣合宜的照度水平。這是通過改善光分布減少過度照明,以及改善照度的均勻度來實現(xiàn)的。對于任何一種照明應(yīng)用而言,采用較少的光而達(dá)到合理的照度水平都表示照明利用系數(shù)的提高。LED光源能夠提供全新的形狀因子和光分布,使利用效率有很大的提高。對于LED光源要使光的利用最大化,還需要使光、電和熱的效率最大化。燈具的有效效率還受到光利用效率的影響,所謂利用效光的利用的另一個重要方面是光的控制,它能在不影響照明應(yīng)用質(zhì)量的前提下使光源的功耗最小。LED的天性就是可控--可以調(diào)光,而且是瞬時響應(yīng)--這使得它們可以與全范圍的照明控制相協(xié)調(diào)。除去一般概念上的節(jié)能外,SSL還提供新的光源形狀因子、光分布的各種可能、光色的可選擇、安裝的可選擇以及控制的各種選擇。關(guān)于SSL性能的的一個主要的優(yōu)點是它不僅能改善能效,匹配現(xiàn)存的傳統(tǒng)照明技術(shù)性能,而且還能增添很重要的價值,包括光色質(zhì)量、與照明控制的集成以及能夠增強(qiáng)照明應(yīng)用和建筑設(shè)計的形狀因子。LED燈具增加的這些性能將能幫助說服消費者接受SSL產(chǎn)品的價格,信奉這一照明技術(shù)的整個潛力（包括節(jié)能）。光的利用的另一個重要方面是光的控制,它能在不影響照白光LED的研發(fā)白光LED的研發(fā)

LED光源和燈具的里程碑反映了在開發(fā)低成本高性能SSL的過程中界限清楚的各個階段。第一階段是開發(fā)光效足夠高的LED光源以滿足照明市場的需要，此一階段在兩年前已經(jīng)完成。第二階段還在進(jìn)行之中，是要進(jìn)一步改善光效并降低成本以實現(xiàn)最好可能的節(jié)能。第三階段則是從已有的光效達(dá)到或超過130lm/W光源進(jìn)而轉(zhuǎn)向開發(fā)高效的燈具。第四階段，通過制造的研發(fā)創(chuàng)新將LED照明的成本大幅度降低到可以實現(xiàn)全面的競爭，目前正在進(jìn)行之中。LED光源和燈具的里程碑反映了在開發(fā)低成本高性

優(yōu)先要進(jìn)行的研究工作優(yōu)先要進(jìn)行的研究工作研究中采用的LED波長以及色溫和顯色指數(shù)的范圍研究中采用的LED波長以及色溫和顯色指數(shù)的范圍芯片材料的研究至今，綠色芯片的光效低還是一個大問題，影響了cm-LED開發(fā)。還有，在電流密度增加時效率下降機(jī)制也沒有搞清楚。通過采用最新水平的外延材料和器件結(jié)構(gòu)的實驗研究,并結(jié)合理論分析,弄清藍(lán)光芯片在大電流時時效率下降的物理機(jī)制。通過試驗和理論工作,尋找到能夠減少電流效率下降以及所有光色的熱敏感性的方法.開發(fā)出高效的紅、綠和琥珀色LED，它們可以使光譜效率最佳化，且在較大的色溫范圍內(nèi)保持高的光色質(zhì)量；另外在工作溫度變化時換能維持光色和效率的穩(wěn)定。芯片材料的研究復(fù)旦大學(xué)-周太明教授--白光LED光源和燈具的技術(shù)現(xiàn)狀及展望ppt課件下轉(zhuǎn)換材料的研發(fā)

更高的LER也要求開發(fā)高效的窄帶下轉(zhuǎn)換材料（例如熒光粉），在光譜的紅色和琥珀色區(qū)域特別重要。因為要想做成高光效的暖白色光源，在光譜的長波區(qū)域需要很尖銳的截止，使光譜不要延續(xù)到紅外）。熒光粉是現(xiàn)今高效LED產(chǎn)品的一個關(guān)鍵部件，但是它還可能有一些實質(zhì)性的改善空間。主要的問題是關(guān)于光譜效率和顏色變化。通過窄化紅粉的發(fā)射帶，可以改善光譜效率。而采用新材料配方則可以使其光色更加穩(wěn)定，不易隨點燃時間變化，保重長期工作。鼓勵開發(fā)非稀土金屬和無毒害的下轉(zhuǎn)換材料。下轉(zhuǎn)換材料的研發(fā)復(fù)旦大學(xué)-周太明教授--白光LED光源和燈具的技術(shù)現(xiàn)狀及展望ppt課件光質(zhì)量的研究對于原來描述亮度感覺,顏色識別和顏色偏愛等的參數(shù)加以改進(jìn)。應(yīng)用人的視覺響應(yīng)或視覺科學(xué)研究，評估各種光譜功率分布對于上述參數(shù)的影響，包括由線光譜光源和寬帶光譜光源構(gòu)成的白光光譜，以及采用紫外和藍(lán)光激發(fā)的熒光粉轉(zhuǎn)換白光光源的光譜等等。光質(zhì)量的研究

SSL產(chǎn)品的顏色質(zhì)量是至關(guān)重