< Back to previous page

Publication

Modelling and Evaluation of High-Power Light-Emitting Diodes for General Lighting (Modellering en evaluatie van hoogvermogen LED's voor algemene verlichting)

Book - Dissertation

De voorbije jaren hebben light-emitting diodes beter bekend als LEDs zowel voor Jan met de pet als in de onderzoekswereld enorm aan populariteit gewonnen. Omwille van de complexiteit en huidige implementatieproblemen van hoogvermogen LEDs hebben verlichtingsbedrijven echter weinig ervaring met deze nieuwe lichtbronnen. Hierdoor zijn zij afhankelijk van de informatie van diodeproducenten, die dikwijls eerder misleidend is. Doel van het hier beschreven onderzoek is deze technologische begripskloof tussen LED- en armatuurproducenten op twee manieren te reduceren.In de eerste plaats worden modellen opgesteld die maximale LED-karakterisatie aan de hand van een minimum aantal metingen en het inschatten van LED-prestaties in verlichtingstoepassingen mogelijk maken. Door vergelijking met andere model- en simulatietechnieken werd de gray-box-benadering gekozen tot beste optie voor dit werk. De constructie van semi-empirische modellen, die zowel op theorie als experimentele data zijn gebaseerd, is meteen de belangrijkste onderzoeksbijdrage voor de academische wereld. Simulatie van LED-karakteristieken achteraf maakt onmiddellijke validatie van de modellen mogelijk.Meetresultaten die voor het modelleren werden gebruikt kunnen daarnaast ook voor een uitgebreide evaluatie van de huidige LED-technologie worden toegepast. Het integreren van hoogvermogen LEDs in algemene verlichting kan dus beschouwd worden als het eindproduct van meting, modellering, simulatie en validatie, in deze specifieke volgorde. Deze academische onderzoeksbenadering kan echter verschillen van zijn toepassing in de praktijk. Daarom worden ook aanbevelingen voor best practice verstrekt. In combinatie met commerciële vermogensbronnen, meetapparatuur en een oven werden twee integrerende sferen and twee goniofotometers gebruikt voor alle experimenten. Eén van de sferen heeft een diameter van 50 cm en werd speciaal voor dit werk ontworpen, gebouwd en gekarakteriseerd. Het typische hemisferische stralingspatroon van LEDs werd daarbij benut om de nauwkeurigheid van de metingen te verhogen. Recentelijk in de literatuur voorgestelde technieken zoals een externe referentiebron en spectrale detectie werden bovendien gecombineerd met een specifieke poortgeometrie en een geminimaliseerde oppervlakte van de baffle, zodat een zeer uniforme sfeerrespons werd verkregen. De directionele respons van de detector werd gebruikt om deze sfeerrespons te verifiëren. Stralingsstromen zijn in zeer goede overeenstemming met waarden verkregen met een goniofotometer. Stroom-spanning-karakteristieken van tien commerciële single-die hoogvermogen LEDs werden opgemeten bij zes verschillende temperaturen tussen 295 en 400 K. Voor LEDs gebaseerd op InGaN halfgeleiderlegeringen konden duidelijk drie stroomgebieden onderscheiden worden. Het intermediaire stroomgebied werd als gebruikelijk gemodelleerd met de experimentele Shockley-vergelijking. De idealiteitsfactor bleek daarbij weinig afhankelijk van de junctietemperatuur. Aangezien stroom-spanning-karakteristieken niet louter door een diffusie- of recombinatiestroom kunnen verklaard worden, werd de idealiteitsfactor ook expliciet in de uitdrukking van de saturatiestroom geïntroduceerd. Daarnaast werd ook de temperatuursafhankelijkheid van de verboden energiezone in rekening gebracht. Uit dit model kan het lineaire gedrag van de voorwaartse spanning in functie van junctietemperatuur voorspeld worden, maar slechts voor een gelimiteerd stroombereik. Metingen bevestigen de theorie met fittingcoëfficiënten hoger dan 0.99 voor alle geteste LED-samples. Bijkomende stroom-spanning-karakteristieken van tien multi-die LEDs bij verschillende temperaturen lieten toe het voorwaartse spanningsmodel te verifiëren voor een veralgemeende junctietemperatuur. Daarbij konden de idealiteitsfactoren en interne serieweerstanden gerelateerd worden aan diegene van de individuele diodes.Voor zowel single-die als multi-die LEDs werd het oorspronkelijke spanningsmodel uitgebreid met de temperatuursafhankelijkheid van de interne serieweerstand. Meetresultaten tonen aan dat de weerstand een negatieve exponentiële afhankelijkheid van de junctietemperatuur vertoont, maar deze wordt in praktijk dikwijls door een lineair gedrag benaderd. Bij nominale stuurstromen gaat ongeveer 10 tot 35 % van het ingangsvermogen ten gevolge van de interne serieweerstand aan warmte verloren. Dat maakt deze weerstand de tweede grootste reden voor opwarming van de diodejunctie. Gedeeltelijk gebaseerd op het spanning-temperatuur model werd uit de thermische weerstandsdefinitie voor LEDs een uitdrukking voor de junctietemperatuur in functie van de stuurstroom opgesteld. De variatie van het elektrische ingangsvermogen en de stralingsflux met stroom en junctietemperatuur werd experimenteel bepaald voor negen commerciële LEDs. Zowel voor de flux als het ingangsvermogen werd een kwadratische afhankelijkheid van de stroom en een lineair verband met de temperatuur gevonden. Het combineren van deze afhankelijkheden leidt tot simpele uitdrukkingen voor het elektrische en radiometrische vermogen en hun verschil in functie van stroom en temperatuur. Mits kennis van de thermische weerstand kunnen deze modellen gebruikt worden om de junctietemperatuur te berekenen uit de stuurstroom in praktische LED-toepassingen. In- en uitgangsvermogens kunnen dan ook meteen voor elke stroominstelling bepaald worden. Deze methode werd gevalideerd door gemeten resultaten met gesimuleerde data te vergelijken. De maximale afwijkingen tussen beide benaderingen bleken niet groter dan enkele procenten. De spectrale stralingsstroom van zeven commerciële hoogvermogen LEDs afkomstig van twee producenten werd gemeten met de zelfontworpen integrerende sfeer bij verschillende junctietemperaturen tussen 290 en 340 K. Met frequentie of energie in plaats van golflengte als onafhankelijke variabele werd uit de metingen een model voor enkelkleurige spectra geconstrueerd (bij 300 K). De variatie van de initiële modelparameters met junctietemperatuur werd daarna onderzocht. In tegenstelling tot een aantal louter wiskundige modellen uit de literatuur, werden daarbij het exponentiële Boltzmann-gedrag en de shift van de verboden energiezone met temperatuur expliciet in het model opgenomen. Voor het merendeel van de modelparameters konden bovendien de waarden voor AlGaInP halfgeleiders onderscheiden worden van diegene van InGaN diodes. Een Gaussiaanse functie met temperatuurafhankelijke piekwaarde, piekfrequentie en breedte bleek voldoende om fluorescentiespectra te modelleren en te simuleren. Zeer hoge fittingcoëfficiënten werden gevonden, wat wijst op een goede overeenkomst tussen de modellen en experimentele data. Beide modellen werden gevalideerd door vergelijking van flux en kleurcoördinaten van gemeten en gesimuleerde spectra bij een junctietemperatuur van 340 K. Afgezien van een rode LED met een duidelijke spectrale afwijking werden respectievelijk verschillen kleiner dan 2.5 % en kleiner dan de straal van een driestap MacAdam ellips gevonden. Tien commerciële LEDs met een proximate of remote vlakke fosfor werden gemeten met een goniofotometer. De resultaten werden gebruikt voor het modelleren van de ruimtelijke kleurvariaties van deze lichtbronnen. Voor alle geteste LEDs veranderden de kleurcoördinaten langs een rechte lijn in het CIE chromaticiteitsdiagram, waarbij beide kleurwaarden toenamen met de kijkhoek. Als gevolg hiervan kon het modelleren van de ruimtelijke kleurverdeling worden gereduceerd tot het modelleren van de geel-blauw-verhouding in het spectrum en de verandering ervan in functie van de kijkhoek. Deze verhouding kon worden gerelateerd aan de relatieve schijnbare fosfordikte. Een bijkomende modelparameter werd ingevoerd om het model uit te breiden tot fosforwitte LEDs met eenvoudige optieken. Een zeer goede overeenkomst tussen meting en simulatie met alle fittingcoëfficiënten groter dan 0.94 werd gevonden.Het vooropgestelde model laat toe de zichtbaarheid van ruimtelijke kleurverschillen en dus de relevantie van kleurbinning aan het einde van LED-productielijnen te evalueren. Een eenvoudige lineaire benadering toont aan dat een maximaal kleurverschil in overeenstemming met een vierstap MacAdam ellips optreedt van zodra de primaire modelparameter gelijk is aan 0.6. Meetresultaten die werden gebruikt voor de constructie van wiskundige modellen werden ook aangewend om de huidige LED-technologie grondig te evalueren. Deze evaluatie focust op drie aspecten, zijnde de betrouwbaarheid van LED-datasheets, studie van vermogensverliezen in LEDs en een voorstel tot het hanteren van een kwaliteitsschaal voor LED-toepassingen. De binning van spanning, lichtstroom en kleur aan het einde van LED-productielijnen werd geverifieerd met behulp gepulste metingen onder gelijkaardige stroom- en temperatuurcondities. Resultaten werden bovendien vergeleken met metingen in thermisch evenwicht. Daarbij werden twaalf fosforwitte en twee rode diodes van in totaal drie producenten (Cree, Nichia en Seoul Semiconductor) onderzocht.Hoewel Cree geen binning volgens voorwaartse spanning doorvoert,werden de spanningswaarden voor alle fabrikanten succesvol geverifieerd. In thermisch evenwicht bleef echter enkel de binning van Seoul Semiconductor (SSC) geldig.De binning van lichtstroom blijkt een grote moeilijkheid te vormen voor diodeproducenten. Omwille van de selectie van zeer nauwe fluxbins slaagden zowel Cree als Nichia packages er niet in om aan de eigen binningsvereisten te voldoen. Enkel LEDs van producent SSC stemden overeen met de opgegeven fluxbin tijdens de gepulste meting. Voor werking in thermisch evenwicht zakten alle lichtstromen echter onder de ondergrens vermeld in de datasheet.Het is opmerkelijk dat, in tegenstelling tot de zeer goede resultaten voor spanning en lichtstroom, SSC LEDs typisch niet aan hun kleurspecificaties voldoen. Kleurcoördinaten van Cree en Nichia packages situeren zich daarentegen wel in de respectievelijke bins. Diodeproducenten hebben het dus blijkbaar zeer moeilijk met het gelijktijdig vervullen van alle drie de binningsvereisten. Voor fosforwitte LEDs zijn de kleurveranderingen tengevolge van een veranderende junctietemperatuur echter nog steeds kleiner dan de ruimtelijke kleurvariaties waarvan eerder sprake. Verschillende verliesfactoren die aanwezig zijn in hoogvermogen LED-packages werden geëvalueerd voor een selectie van stromen en junctietemperaturen. Het vermogensverlies in de interne serieweerstand bleek daarbij de voornaamste oorzaak voor de dalende diode-efficiëntie met toenemende stroom. De externe kwantumefficiëntie is de dominante verliesfactor, die bovendien voor witte LEDs gerelateerd is aan de kleurtemperatuur. De absorptie van fotonen in de fosfor is het inderdaad grootst voor warmwitte LEDs. De externe kwantumefficiëntie is eveneens verantwoordelijk voor de dalende specifieke lichtstroom met stijgende junctietemperatuur. Verliezen ten gevolge van de Stokes-shift bedragen ongeveer 2 tot 5 % van het ingangsvermogen. Hoewel het conversieverlies per foton groter is voor warmwitte LEDs, lijkt dit effect gecompenseerd te worden door het kleinere aantal uitgestuurde fotonen. Voor fosforwitte LED-spectra is het resterende zichtbare gedeelte van de output steeds net iets kleiner dan het visuele verlies.De fosfortemperatuur van remote fosforwitte LEDs neemt evenredig met de pompflux en junctietemperatuur toe. De stijging hangt af van de kwantumefficiëntie van de fosfor en de thermische weerstand tussen de fosfor en de diodejunctie. De effectieve kwantumefficiëntie (EQE) van drie LED-modules werd berekend uit spectrale fluxmetingen. In typische werkingsomstandigheden is de daling van de EQE met de pompflux (ongeveer 0.1 %/W) verwaarloosbaar in vergelijking met het effect van een toenemende fosfortemperatuur (ongeveer 0.03 %/K). De efficiëntie-evaluatie van LEDs werd in vijf stukken onderverdeeld. In eerste instantie werd de efficiëntie van RGB (rood-groen-blauw) en fosforwitte packages op twee manieren vergeleken. Zowel de benadering met constante junctietemperatuur als diegene met vast koelelement toonde aan dat voor een gelijke lichtstroom en kleur de specifieke lichtstroom van fosforwitte LEDs tot meer dan het dubbele van de overeenkomstige RGB-combinatie bedraagt.De dalende efficiëntie van fosforwitte LEDs met afnemende kleurtemperatuur werd verklaard aan de hand van de vorm van het spectrum. Om een lagere kleurtemperatuur te verkrijgen moet namelijk zowel de relatieve bijdrage als de piekgolflengte van het fluorescentiespectrum toenemen.Om een vergelijking tussen LED-efficiënties van verschillende producenten zo eerlijk mogelijk te maken, werden enkel single-die packages bij een stuurstroom van 350 mA en een junctietemperatuur van 330 K beschouwd, en dit voor twee productieperiodes (2006-2007 en 2008-2009). In vergelijking met de eerste periode stegen de specifieke lichtstromen van producenten Cree, Lumileds en SSC met ruwweg een derde tegen 2008-2009. Toch werden zelfs voor de meest bekende hedendaagse LED-producenten zeer grote efficiëntieverschillen gevonden.Verlichtingstoepassingen met LEDs zouden een pak efficiënter kunnen gemaakt worden door elke package met nominale stuurstroom te vervangen door een schakeling van diodes met gereduceerde sturing. Alternatief kan een single-die package vervangen worden door een multi-die package waarbij het initiële ingangsvermogen wordt verdeeld over de verschillende dies. Dit statement werd geverifieerd met behulp van simulaties en experimenten.De lichtstroom van vier LED-lampen en zes LED-engines (met hun bijhorende koelelementen) werd bepaald in thermisch evenwicht. Voor alle lampen werden specifieke lichtstromen tussen 35 en 45 lm/W gemeten. Fosforwitte LED-engines vertonen gelijkaardige efficiënties, wat erop wijst dat praktische toepassingen met LEDs nu vergelijkbaar zijn met compact fluorescentielampen (CFLs). Uit alle voorgaande onderzoek werden tien modelparameters geselecteerd die nauw verbonden zijn met de diodekwaliteit. Daar werden drie parameters aan toegevoegd om ook de lichtstroomdegradatie in functie van de tijd in rekening te brengen. De efficiëntie van voorschakelapparatuur en secundaire optieken zullen een bijkomende invloed hebben op de performantie van de finale LED-applicatie. Dit brengt het totaal aantal kwaliteitsparameters op vijftien. Het is aan toekomstige designers van verlichtingstoepassingen om een aantal LED-types te selecteren op basis van vooropgestelde ontwerpcriteria en om deze daarna te vergelijken voor elke kwaliteitsparameter afzonderlijk of een gewogen functie. Alle werk ter modellering en evaluatie van LEDs zou geen weerslag vinden als het niet kon worden gebruikt door diegenen waarvoor het werd bedoeld. Daarom werd aan de verschillende onderzoeksonderdelen een best practice toegevoegd die typisch bestaat uit een beschrijving van minimale model-, simulatie- en evaluatie-inspanningen of richtlijnen voor het bekomen van optimale LED-prestaties. Een overkoepelende best practice voor de integratie van hoogvermogen LEDs in algemene verlichting werd daar aan toegevoegd. Voldoende nauwkeurige bepaling van de junctietemperatuur is enkel mogelijk als ten minste twee spanning-temperatuur calibratiemetingen worden uitgevoerd. Om te controleren of de meetstroom zich voor alle relevante temperaturen in het intermediaire stroominterval bevindt, moeten twee stroom-spanning-karakteristieken bij ongeveer de uiterste temperatuurwaarden opgemeten worden.Hoewel minder exact kan een lineair spanning-temperatuur verband ook worden toegepast bij nominale stromen. In praktische toepassingen verschilt de meetstroom echter typisch van de stuurstroom. De spanningsmeting mag in dat geval slechts een milliseconde (of minder) duren om het effect ervan op de junctietemperatuur te minimaliseren. De junctietemperatuur en het elektrische en optische vermogen van geïntegreerde LEDs kunnen ook rechtstreeks uit de stroom berekend worden. Daarvoor zijn vier calibratiemetingen vereist: drie integrerende sfeermetingen en één meting van het ingangsvermogen in thermisch evenwicht op een vast koelelement. De simulatie van LED-prestaties door verlichtingsdesigners zou echter sterk vereenvoudigd worden indien modelparameters en thermische weerstanden op voorhand gekend zouden zijn. Sommige diodeproducenten vermelden reeds experimentele data van de vermogensvariatie in functie van stroom en temperatuur in hun datasheets, maar expliciete vermelding van modelparameters zou handig zijn. Het modelleren en simuleren van een diodespectrum voor elke junctietemperatuur vereist twee spectrale fluxmetingen. De eerste meting dient daarbij als referentie. Voor enkelkleurige spectra kunnen vier van de zeven modelparameters bepaald worden uit een exponentiële benadering van de lage en hoge energiezijde van het spectrum. Voor de lage energiezijde kunnen echter vaste coëfficiënten van 22.5 10-14 Hz-1 en 7.5 10-14 Hz-1 voor respectievelijk AlGaInP- en InGaN-diodes gehanteerd worden. Het verschil tussen de combinatie van de exponentiëlen en het gemeten referentiespectrum wordt gemodelleerd met een Gaussiaanse functie. Fluorescentiespectra kunnen rechtstreeks door een Gaussiaan benaderd worden.Lineaire approximaties bleken voldoende om de temperatuursafhankelijkheid van de initiële modelparameters te beschrijven. Daarom is slechts één bijkomende spectrale fluxmeting nodig om het gedrag van een LED-spectrum in functie van de junctietemperatuur te voorspellen. Door de verandering van de schijnbare fosfordikte in functie van de kijkhoek, vertonen vlakke fosforen in bichromatische witte LEDs een onvermijdelijke ruimtelijke kleurspreiding. In praktijk zijn voor Lambertiaanse stralers twee spectrale intensiteitsmetingen voldoende om de relatieve verandering van de geel-blauw-verhouding in het spectrum voor alle kijkhoeken te kennen. Voor fosforwitte LEDs met een evenredig bundelende optiek is daarvoor minstens één bijkomende intensiteitsmeting nodig.Er werd een hoge correlatie tussen de primaire modelparameter C1 en de maximale kleurspreiding waargenomen met R² = 0.92. Een maximaal kleurverschil dat overeenkomt met een vierstap MacAdam ellips of typisch één kleurbin wordt verkregen voor de LEDs met C1 = 0.6. Deze waarde kan dus ook als een kleurevaluatiecriterium worden gehanteerd. Voor LEDs met C1 > 0.6 is kleurbinning volgens een vierstap MacAdam ellips enkel geldig voor een deel van de bundel en dus irrelevant voor de volledige lichtoutput. Het gebruik van remote sferische fosforverdelingen is de beste optie om tot minimale ruimtelijke kleurverdelingen te komen. Vanuit commercieel oogpunt focust een evaluatie van de huidige LED-technologie typisch op betrouwbaarheidstesten voor binning door producenten en vergelijking van producten op een kwaliteitsschaal. Vermogensverliezen en efficiënties kunnen echter met behulp van hetzelfde beperkte aantal metingen berekend en vergeleken worden.Twee integrerende sfeermetingen bij verschillende junctietemperaturen zijn nodig en voldoende voor het testen van de betrouwbaarheid van LED-specificaties. Dezelfde data kunnen gebruikt worden voor de berekening van alle vermogensverliezen en hun verandering met temperatuur. Minstens één bijkomende meting bij een afwijkende stroom is vereist om het gedrag van deze verliezen in functie van het ingangsvermogen te kennen. Deze metingen moeten herhaald worden voor een ruimere selectie van LEDs om efficiëntievergelijking mogelijk te maken.Acht van de tien geselecteerde kwaliteitsparameters kunnen bepaald worden uit twee stroom-spanningsmetingen en drie integrerende sfeermetingen. Daarnaast laten twee vermogens- en intensiteitsmetingen toe respectievelijk de thermische weerstand en het kleurevaluatiecriterium voor fosforwitte LEDs vast te leggen. Om de kwaliteitsschaal verder uit te breiden tot LED-lampen of volledige armaturen is nog minstens één meting van de lichtstroom nodig. Daaruit kunnen de efficiënties van voorschakelapparatuur en secundaire optieken worden berekend. De voorgaande paragrafen tonen aan dat het modelleren, karakteriseren en evalueren van LEDs kan uitgevoerd worden met behulp van een zeer beperkte hoeveelheid meettoestellen. Indien een verlichtingproducent zelf een middelmatige commerciële versie van elk van deze toestellen wil bemachtigen bedraagt de initiële totaalkost ruwweg 60 000 euro.Naast de reproduceerbaarheid die gerelateerd is aan de variatie die optreedt tussen resultaten van metingen van eenzelfde testobject, moet bij karakterisatie van LED-toepassingen ook rekening gehouden worden met de reproduceerbaarheid die het gevolg is van het optreden van verschillen tussen LEDs van eenzelfde type of bin. Bovendien kunnen modelparameters die initieel gelijk zijn na verloop van tijd toch van elkaar afwijken. Verlichtingsontwerpers moeten hiervan op de hoogte zijn wanneer zij het gedrag van hun toepassingen op basis van modelparameters gaan simuleren. Niet enkel de specifieke lichtstromen van commerciële LED-toepassingen zijn op dit moment van dezelfde grootteorde als die van compact fluorescentielampen. Kleurverschuivingen ten gevolge van veranderingen van de junctietemperatuur zijn vergelijkbaar met de kleurveranderingen van CFLs tijdens de opstartperiode. Aangezien daarnaast ook de kleurweergave-indices van LEDs en CFLs equivalent zijn, kan besloten worden dat beide technologieën in dezelfde mate voor algemene verlichtingstoepassingen geschikt zijn. Uiteraard heeft elke technologie echter zijn eigen optimale applicatiedomeinen.Een belangrijk nadeel van een LED ten opzichte van een CFL is zijn dikwijls zichtbare ruimtelijke kleurspreiding. Het gebruik van remote sferische fosforen moet dit euvel in de toekomst verhelpen. Dit maakt de gelijkenis tussen beide technologieën nog groter.Ondanks de reeds zeer bevredigende outputkarakteristieken van LEDs, is het van belang nogmaals de gereduceerde performantie bij nominale stuurstromen te benadrukken. De interne kwantumefficiëntie daalt zienderogen met toenemende stroom en ongeveer 10 tot 35 % van het ingangsvermogen gaat onmiddellijk verloren in de interne serieweerstand. Men kan de efficiëntie van LED-toepassingen tot 50 % verhogen door elke diode bij nominale stuurstroom te vervangen door een aantal diodes met gereduceerd verbruik. Zoals zo vaak zal men in de toekomst de verhoogde initiële kostprijs van dit alternatief moeten afwegen tegenover de gerelateerde winst.
Publication year:2010
Accessibility:Open