InGaN-GaN發(fā)光二極管的數(shù)學物理模型和特性及最優(yōu)驅(qū)動電流研究.pdf

1、銦鎵氮/氮化鎵（InGaN/GaN）發(fā)光二極管（Light-emitting diode：LED）照明節(jié)能技術(shù)是世界各國緩解能源危機的一個重要途徑。InGaN/GaN LED電光熱特性研究對LED固態(tài)照明的可行性、可靠性和經(jīng)濟性起著重要作用，對LED上中下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展有重要意義。
　　InGaN/GaN LED是一種電能轉(zhuǎn)換為光能的半導體光電子器件，表現(xiàn)出復雜的電、光、熱特性。針對典型的InGaN/GaN LED照明系統(tǒng)，借助試

2、驗研究和建模分析等手段，開展在脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動電流下，電熱等物理量對InGaN/GaN LED特性影響的研究，深化對LED特性及其微觀機理的認識，并為多芯LED封裝及其電流驅(qū)動的優(yōu)化設計提供重要的理論和試驗指導，主要工作包括以下幾個方面。
　　在一般商用LED測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完善了InGaN/GaN LED電光熱特性的研究測試平臺：研制了滿足電光熱耦合特性研究的數(shù)控電源、溫度測控裝置，以及滿足老化試驗要求的PWM電流驅(qū)動單

3、元等；采用虛擬儀器軟件開發(fā)了測試軟件系統(tǒng)，對商用LED綜合測試平臺進行了優(yōu)化；討論了特性試驗研究的基本原理和方法；為InGaN/GaN LED特性的試驗研究提供了必要的硬件支持及方法指導。
　　利用搭建的測試平臺開展了大量的InGaN/GaN LED試驗研究，深入考察InGaN/GaN LED應用中存在的各種電光熱耦合效應，并對LED特性進行了數(shù)學物理建模分析：重點研究了數(shù)學物理模型參數(shù)的提取算法，考察了算法的精度、速度、收斂性和

4、魯棒性，提出了滿足建模需求的改進算法；在數(shù)學物理模型的基礎(chǔ)上獲得了特征量的基本特性，為InGaN/GaN LED特性的微觀機理解釋提供了更為準確、可靠的參考依據(jù)。
　　針對單芯InGaN/GaN LED進行了大量老化試驗研究，從InGaN/GaN LED材料屬性、封裝結(jié)構(gòu)、載流子輸運等角度，展開特性的微觀機理研究，獲得其特征量的演變規(guī)律，并進行了壽命預測研究，對InGaN/GaN LED的光衰現(xiàn)象提出了更合理的微觀機理解釋，為In

5、GaN/GaN LED上游芯片生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品最優(yōu)設計提供了參考。
　　在單芯InGaN/GaN LED電光熱特性的基礎(chǔ)上，針對大功率照明的應用需求，研究多芯InGaN/GaN LED特性：對多芯InGaN/GaN LED電光熱特性進行數(shù)學物理建模，并分析了多芯InGaN/GaN LED模型的參數(shù)優(yōu)化及其過程；在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的多芯直嵌式封裝技術(shù)，并給出了9芯InGaN/GaN LED模塊（9芯片模塊：9個單芯片LED組合使

6、用的模塊）的試驗原型及其電光熱性能，為大功率InGaN/GaN LED照明的光源設計和研制提供理論和實踐指導。
　　針對InGaN/GaN LED電流驅(qū)動的參數(shù)設置問題，根據(jù)單芯InGaN/GaN LED電光熱特性的試驗研究和建模分析結(jié)果，推導出了電光熱耦合作用下單芯InGaN/GaN LED電流—光通量的近似簡化模型，獲得了定量光通量輸出和最大光通量輸出時的驅(qū)動電流方程；結(jié)合壽命預測的約束，提出驅(qū)動電流的最優(yōu)化控制原理，為InG

7、aN/GaN LED驅(qū)動設計提供了重要的理論指導。
　　根據(jù)多芯InGaN/GaN LED電熱特性的試驗研究和建模分析結(jié)果，推導出了疊加熱阻等效電路網(wǎng)絡的電流—結(jié)溫近似模型，提出了溫度傳感器的結(jié)溫估計方法，降低多芯InGaN/GaN LED最優(yōu)化驅(qū)動中結(jié)溫測量的復雜性；給出了結(jié)溫最小化的功率重分配電流控制策略，為多芯InGaN/GaN LED最優(yōu)化驅(qū)動的低成本化提供了重要的實施途徑。
　　最后，利用9芯片模塊和最優(yōu)化驅(qū)動原理