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周敏捷 绿色环保时代的来临对能源的高效率利用提出了更高的要求，照明技术作为最早推动电网建设的民用技术，同样也正在进入一个由传统的热光源照明转向以 LED 等高效节能技术为主导的冷光源照明时代。大功率 LED 工艺及其驱动技术无以将是这场变革中的核心技术。对于大功率 LED 的驱动及 LED 本身的工艺，业界已经有了许多探讨，相关产品及方案也正如雨后春笋般出现在市场上。然而困扰着所有 LED 从业人员的依然有两大关键问题尚未能完美解决，其一为 LED 生产及其驱动电路的制作成本，相对于传统照明系统而言略显高昂，另一个问题就是 LED 本身的发热及散热问题始终是目前困扰开发人员的最大难题。相对而言，成本问题会随着技术的进步和成本控制的优化逐步可以得到解决，而 LED 的散热问题则成为了目前阻碍 LED 技术推广的主要瓶颈。本文所介绍半导体制冷技术并不是一种近期新兴的技术，但是将其与目前的大功率 LED 照明相结合，特别是应用在功率输出极大的特种领域，将能非常有效地降低 LED 工作温度，有效地延长 LED 使用寿命及改善发光亮度和显色性等问题。 所谓半导体制冷是指通过半导体器件来实现温度冷却，从而有效控制半导体周围环境温度的技术。传统制冷技术是通过卡诺热机的原理，利用制冷剂的多态循环来实现温度的控制，因卡诺热机结构复杂且需要压缩机等部件，使得传统制冷设备的体积往往非常庞大，一般都是用于大型电器设备上。而半导体制冷相比于传统制冷设备有着体积小，无运动部件，制冷温度精确可控，设备简单等优点。特别是结构简单且体积小这项优点，极适合于将其应用于小型电子设备中，实现对设备关键部件的降温，使关键部件可以工作于最佳的温度状况中。 半导体制冷又称热电制冷，是一项早在 20 世纪 50 年代就开始发展起来的技术，其基本原理基于五大热点效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅利叶效应。 目前所讨论的半导体技术一半都是基于珀尔帖效应的。 珀尔帖效应是 1834 年由法国科学家珀尔帖发现的。他曾经通过实验发现由 N 、 P 型材料组成得一对电偶，当通入直流电流后，因电流通入的方向不同，会在电偶结点处产生吸热和放热现象， 其原理可解释为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它们从高能级向着低能级运动时就会释放出多余的能量，表现出放热；反之当他们从低能级向着高能级运动时，就会从外界吸收能量，表现出吸热制冷的效果。在半导体中，当电流由 N 结流向 P 结时，就会产生吸热现象，而当电流从 P 结流向 N 结时就会产生放热现象，这种现象就称之为珀尔帖效应。根据此原理所做成的珀尔帖效应热泵，就是利用 P 型和 N 型半导体粒子按照一定的规则排列，将它们用金属连接片焊接成一个电偶对，接上直流电源后将电流从 N 极流向 P 极的那端作为冷端，用于制冷，而将 P 极流向 N 极的一端作为热端，用于放热。本质上，该器件就是一个将热量从一端移动到另一端的能量泵。其原理如图 1 所示   图一 目前国内较为常用的 P 型和 N 型制冷半导体材料为 以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中 P 型是 Bi2Te3—Sb2Te3 ， N 型是 Bi2Te3—Bi2Se3 ，采用垂直区熔法提取晶体材料。图二 a 和图二 b 分别为一个常用半导体制冷模块的实物照片。 图二 a 正视图                                 图二 b 侧视图 一般来说半导体制冷器件的体积可以做得很小 , 相比于传统压缩机的制冷技术，可以更方便地用于对电子电气设备的降温 , 且制冷器可以做成各种形状的贴片结构 , 贴附在芯片等关键发热元件的表面 , 以实现散热降温的效果。其实这一技术在一些特定领域已经有了一些广泛的应用，比如曾经有 PC 机的超频爱好者，利用这种结构的半导体制冷器，将 CPU 满负载时的表面温度降到了－ 3 摄氏度，从而使得 CPU 的工作主频顺利升到了正常水平的 50 ％以上。 如果用半导体制冷器件对特大功率的 LED 进行降温，也同样可以达到优化 LED 工作状态的效果，从而延长 LED 的寿命，改善 LED 发光的色温及一致性等问题。对于大功率 LED 照明来说， 70 ％以上的故障都是由于 LED 温度过高所导至的。 LED 结温的升高会导致器件各方面的变化与衰减，这种变化主要体现在三个方面：一，减少 LED 的外量子效率；二，缩短 LED 的寿命；三，造成 LED 发生光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。其中器件的外量子效应是与 LED 光效直接相关的量，外量子效率的下降会致使 LED 光效的降低。随着 LED 结温的上升，白光 LED 发光的主波长会向长波方向移动。图三 ab 所示分别为 LED 结温与光效率的关系及结温与 LED 寿命的关系。 图三 a 图三 b 当 LED 的结温达到 125 摄氏度 以上时， LED 的发光效率就会显著下降，故障率较之 100 摄氏度 时会上升两倍以上。一般情况下，当 LED 在额定功率一半以上工作时，温度每升高 20 度，故障率就会提高一倍。 而通常照明 LED 为了提高散热的效果，会将多颗 LED 以一定间隔排列，这又会导至 LED 的聚光效果不够理想，影响了照明的效果，降低了总体发光效率。通过给大功率 LED 的铝基板增加半导体制冷功能，将 LED 的发热由制冷模块快速地传递到另一端，同时对另一端进行散热，就能有效地降低 LED 工作时的环境温度。该基板结构可以做成如下图四的形式： 图四 该基板还能根据具体应用的需要做成各种形状，如筒状或者抛物面型等。这样可以更有效地将多颗 LED 的位置进行光学优化分布。从前文的图三中可以看出，如果将 LED 的环境工作温度始终保持在 100 度以下，那么其光输出效率和寿命将比 125 度以上工作环境下有大大地改善。这种改进对于有超大功率应用如汽车前灯照明，路灯照明等领域有着特别显著的实际意义。