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路灯低温冰凌LED路灯在寒地应用环境下关键技术问题分析

随着LED照明技术的快速发展,在国内的许多城市,道路照明已经不乏LED路灯的身影。尤其是大功率LED器件的光效超过100lm/W以后,LED路灯作为道路照明的发展趋势已经得到普遍认同。2009年,国内几个城市分别组织了LED道路照明产品的评估测试工作,大多数LED路灯产品在配光曲线、系统光效等关键技术指标方面进步显着,在道路照明标准的符合性、节能效果等方面已经达到相关标准和规范的要求。

尽管LED路灯技术水平的发展较快,但是大多数LED路灯厂商在产品研发过程中忽略了在寒地应用环境下的特殊技术要求。一个普遍的错误认识是:LED在寒冷地区应用有利于散热,不容易发生故障。殊不知,寒冷应用环境下,对LED路灯有着更为严格的技术要求,主要有以下两个方面:第一,寒冷地区气温较低,且温差大,骤变的冷热冲击和长期低温工作对于器件有着更为严格的质量要求。第二,在寒冷地区应用的LED路灯必须要考虑防止冰凌凝结的预防措施。

鉴于上述原因,LED路灯在寒冷地区的推广应用,需解决以下几个方面的关键技术问题。

一、冷热冲击的温度变化可能引起LED器件的失效

由于LED芯片封装后,属于固态的实心器件,存在着芯片、硅胶(或树脂)、金属支架以及引线之间膨胀系数的失配现象,加上寒冷地区温差较大的冷热冲击影响,会使硅胶在温度变化的过程中,膨胀和收缩加剧,器件内部应力过大,这将导致LED引线键合点位移增大,引线过早疲劳和损坏。同时也会使原本键合状态较差的焊点出现脱焊的可能,而造成焊球和芯片电极脱焊的现象,甚至使LED芯片出现分层脱落的失效现象。

一盏LED路灯应用的LED器件多达上百颗,通常采用以串联为主的混联组态方式,如果一颗LED发生故障,将会引起多颗LED连带失效,因此应用在寒冷地区的LED路灯首先要根据特定使用环境下的灯具温度变化特性,设置合理的超声功率、键合压力、键合时间及键合温度等封装工艺参数,保证每一颗LED器件在低温运行环境下的可靠性。

二、LED驱动装置低温运行的可靠性保障

另一项关键技术挑战在于LED路灯驱动装置在低温运行环境下的可靠性问题。目前大多数LED路灯驱动电源在寒地低温环境下表现出不同类型的水土不服现象,较为突出的表征是低温无法正常启动和长期低温运行环境下的失效率较高现象。上述问题出现的主要原因在于驱动电源在设计阶段的器件选型没有考虑低温工作状态的可靠性,部分关键元器件低温环境下的特性发生变化,造成驱动装置无法低温启动或正常运行,引发故障的具体原因主要有以下四个方面:

第一,开关管在低温条件下载流子的密度和活性都会降低,过载保护的启动点也会因此降低;第二,电解电容电解液在低温下冻结,失去电容效应(溶液中的离子此时只存在离子极化),无带载能力;第三,部分类型的光藕器件在低温状态下无法正常工作;第四,输入端防止浪涌电流的热敏电阻,在低温下阻值变大(是常温的3~5倍),也会造成低温无法正常启动。

上述问题的解决途径主要是从选择温度特性更好的器件入手。

例如,不是所有的电解电容都无法在低温下工作,一般来讲,200V以上的电解电容耐低温特性较差,而160V以下的电解电容基本都能够在零下40℃环境正常工作,只要选用两个低压电解串连使用就可以解决问题。器件选型的调整可能会略微提高驱动装置的成本,但是从LED路灯的整体成本来看可以忽略不计,考虑到提高可靠性和降低维护成本的因素,这种设计调整是非常必要和划算的。

三、LED路灯冰凌凝结危害的防护措施

路灯在寒冷地区推广应用非常容易被忽视的一个问题就是由于冰雪在灯具表面堆积,受热融化后形成的冰凌,冰凌一旦形成,则会对车辆和行人产生非常大的安全隐患。尤其是LED路灯,由于灯具壳体普遍采用铝材,表面的氧化铝属于亲水性材料,更容易产生冰凌凝结。2008年,我国南方大范围雪灾,造成铝制表面高压导线大量冰凌凝结,压塌损毁大量的电力设施。这一灾害恶果不仅是气候造成的,氧化铝表面的高压线缆属于亲水性材料也是一个重要诱因。由于影响到道路交通的安全,因此防止冰凌凝结是LED路灯在寒冷地区应用必须考虑到的安全措施。

为了解决这一关键技术,我们通过对覆冰体表面进行显微成像分析,分析了水在物体表面结冰以及冰在物体表面可以牢固附着的原因。实验结果发现,仅仅采用疏水性能优异的材料,防止冰凌凝结的效果并不理想,甚至水在某些材料表面可以冻得非常的结实。测试结果表明:冰可以附着在任何物体表面上;物体表面上的裂缝和凹陷,是冰可以牢固地粘附在物体表面上的另一个主要原因;单纯疏水性能好的材料,可以延缓结冰的过程,却无法阻止冰的形成。

为了更为准确地对比不同材料间防止冰凌凝结的能力,我们从不同角度深入研究了不同物件的表面结构、表面物性与覆冰的内在关系,包括:结构外形与覆冰、结构材质与覆冰、表面光洁度与覆冰、表面刚柔性与覆冰。研究结果表明:外形结构简单、组织结构紧密、表面防水、疏水性能优异的构件,不容易发生冰凌凝结。

以此试验数据为基础,我们连续2年在冬季设立了不同外观和外壳材料的LED路灯,通过实验发现:凡是灯具外观圆滑、光洁、平整的;没有冰雪或水积存承载结构的;表面材料具备优异疏水性能的LED路灯不会产生冰凌凝结。

我国寒冷地区大多处于高纬度地域,气候寒冷、温差较大,因此对LED道路照明产品的应用带来了新的挑战。另一方面,大多数寒冷地区年平均每天的照明时间长于国内平均水平,故照明耗电也高于国内平均水平,因此昼短夜长的地域特点带来了更多的LED照明应用需求。总体来看,LED照明产品的应用既有挑战又有机遇。

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