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InGaN/GaN发光二极管的数学物理模型和特性及最优驱动电流研究

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1 绪 论

1.1 本课题研究作用与意义

1.2 InGaN/GaN LED的研究现状

1.4 本文研究内容和章节安排

2 InGaN/GaN LED的基本物理特性

2.1 引言

2.2 InGaN/GaN多量子阱蓝光LED物理基础

2.3 InGaN/GaN LED电光转换物理过程

2.4 InGaN/GaN LED电光热特性

2.5 小结

3 单芯InGaN/GaN LED的数学物理模型和特性研究

3.1 引言

3.2 PWM驱动电流技术

3.3 单芯InGaN/GaN LED的电光热特性试验研究

3.4 单芯InGaN/GaN LED的数学物理建模

3.5 单芯InGaN/GaN LED的微观仿真分析

3.6 单芯InGaN/GaN LED特性的微观机理解释

3.7 小结

4 多芯InGaN/GaN LED的数学物理模型和特性研究

4.1 引言

4.2 多芯InGaN/GaN LED的数学物理建模

4.3 多芯InGaN/GaN LED模型的参数优化

4.4 多芯InGaN/GaN LED特性的试验研究

4.5 多芯InGaN/GaN LED的可靠性分析

4.6 小结

5 电光热耦合下的InGaN/GaN LED最优驱动电流研究

5.1 引言

5.2 单芯InGaN/GaN LED电流-光通量特性的简化模型及其驱动电流分析

5.3 多芯InGaN/GaN LED电流-结温特性的简化模型及电流控制

5.4 基于多芯InGaN/GaN LED和最优驱动电流的应用实例

5.5 小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 前景与展望

致谢

参考文献

附 录

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摘要

铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)发光二极管(Light-emitting diode:LED)照明节能技术是世界各国缓解能源危机的一个重要途径。InGaN/GaN LED电光热特性研究对LED固态照明的可行性、可靠性和经济性起着重要作用,对LED上中下游产业链的发展有重要意义。
  InGaN/GaN LED是一种电能转换为光能的半导体光电子器件,表现出复杂的电、光、热特性。针对典型的InGaN/GaN LED照明系统,借助试验研究和建模分析等手段,开展在脉宽调制(PWM)驱动电流下,电热等物理量对InGaN/GaN LED特性影响的研究,深化对LED特性及其微观机理的认识,并为多芯LED封装及其电流驱动的优化设计提供重要的理论和试验指导,主要工作包括以下几个方面。
  在一般商用LED测试系统的基础上,完善了InGaN/GaN LED电光热特性的研究测试平台:研制了满足电光热耦合特性研究的数控电源、温度测控装置,以及满足老化试验要求的PWM电流驱动单元等;采用虚拟仪器软件开发了测试软件系统,对商用LED综合测试平台进行了优化;讨论了特性试验研究的基本原理和方法;为InGaN/GaN LED特性的试验研究提供了必要的硬件支持及方法指导。
  利用搭建的测试平台开展了大量的InGaN/GaN LED试验研究,深入考察InGaN/GaN LED应用中存在的各种电光热耦合效应,并对LED特性进行了数学物理建模分析:重点研究了数学物理模型参数的提取算法,考察了算法的精度、速度、收敛性和鲁棒性,提出了满足建模需求的改进算法;在数学物理模型的基础上获得了特征量的基本特性,为InGaN/GaN LED特性的微观机理解释提供了更为准确、可靠的参考依据。
  针对单芯InGaN/GaN LED进行了大量老化试验研究,从InGaN/GaN LED材料属性、封装结构、载流子输运等角度,展开特性的微观机理研究,获得其特征量的演变规律,并进行了寿命预测研究,对InGaN/GaN LED的光衰现象提出了更合理的微观机理解释,为InGaN/GaN LED上游芯片生产企业的产品最优设计提供了参考。
  在单芯InGaN/GaN LED电光热特性的基础上,针对大功率照明的应用需求,研究多芯InGaN/GaN LED特性:对多芯InGaN/GaN LED电光热特性进行数学物理建模,并分析了多芯InGaN/GaN LED模型的参数优化及其过程;在此基础上,提出了一种新的多芯直嵌式封装技术,并给出了9芯InGaN/GaN LED模块(9芯片模块:9个单芯片LED组合使用的模块)的试验原型及其电光热性能,为大功率InGaN/GaN LED照明的光源设计和研制提供理论和实践指导。
  针对InGaN/GaN LED电流驱动的参数设置问题,根据单芯InGaN/GaN LED电光热特性的试验研究和建模分析结果,推导出了电光热耦合作用下单芯InGaN/GaN LED电流—光通量的近似简化模型,获得了定量光通量输出和最大光通量输出时的驱动电流方程;结合寿命预测的约束,提出驱动电流的最优化控制原理,为InGaN/GaN LED驱动设计提供了重要的理论指导。
  根据多芯InGaN/GaN LED电热特性的试验研究和建模分析结果,推导出了叠加热阻等效电路网络的电流—结温近似模型,提出了温度传感器的结温估计方法,降低多芯InGaN/GaN LED最优化驱动中结温测量的复杂性;给出了结温最小化的功率重分配电流控制策略,为多芯InGaN/GaN LED最优化驱动的低成本化提供了重要的实施途径。
  最后,利用9芯片模块和最优化驱动原理,结合大功率InGaN/GaN LED路灯应用实例,讨论了多芯InGaN/GaN LED的自适应最优电流驱动原理和方法,给出了基于9芯片模块的自适应电流驱动实例,实现了无温度传感器的InGaN/GaN LED自适应电流驱动控制,为InGaN/GaN LED路灯照明的进一步节能应用有着重要意义,同时为大功率LED路灯照明系统的研制提供了范例。

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