解析影響LED路燈壽命的關(guān)鍵問題

隨著LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，在國內(nèi)的許多城市，道路照明已經(jīng)不乏LED路燈的身影。尤其是大功率LED器件的光效超過100lm/W以后，LED路燈作為道路照明的發(fā)展趨勢已經(jīng)得到普遍認(rèn)同。2009年，國內(nèi)幾個(gè)城市分別組織了LED道路照明產(chǎn)品的評估測試工作，大多數(shù)LED路燈產(chǎn)品在配光曲線、系統(tǒng)光效等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面進(jìn)步顯著，在道路照明標(biāo)準(zhǔn)的符合性、節(jié)能效果等方面已經(jīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

盡管LED路燈技術(shù)水平的發(fā)展較快，但是大多數(shù)LED路燈廠商在產(chǎn)品研發(fā)過程中忽略了在寒地應(yīng)用環(huán)境下的特殊技術(shù)要求。一個(gè)普遍的錯(cuò)誤認(rèn)識是：LED在寒冷地區(qū)應(yīng)用有利于散熱，不容易發(fā)生故障。殊不知，寒冷應(yīng)用環(huán)境下，對LED路燈有著更為嚴(yán)格的技術(shù)要求，主要有以下兩個(gè)方面：第一，寒冷地區(qū)氣溫較低，且溫差大，驟變的冷熱沖擊和長期低溫工作對于器件有著更為嚴(yán)格的質(zhì)量要求。第二，在寒冷地區(qū)應(yīng)用的LED路燈必須要考慮防止冰凌凝結(jié)的預(yù)防措施。

鑒于上述原因，LED路燈在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用，需解決以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

一、冷熱沖擊的溫度變化可能引起LED器件的失效

由于LED芯片封裝后，屬于固態(tài)的實(shí)心器件，存在著芯片、硅膠(或樹脂)、金屬支架以及引線之間膨脹系數(shù)的失配現(xiàn)象，加上寒冷地區(qū)溫差較大的冷熱沖擊影響，會(huì)使硅膠在溫度變化的過程中，膨脹和收縮加劇，器件內(nèi)部應(yīng)力過大，這將導(dǎo)致LED引線鍵合點(diǎn)位移增大，引線過早疲勞和損壞。同時(shí)也會(huì)使原本鍵合狀態(tài)較差的焊點(diǎn)出現(xiàn)脫焊的可能，而造成焊球和芯片電極脫焊的現(xiàn)象，甚至使LED芯片出現(xiàn)分層脫落的失效現(xiàn)象。

一盞LED路燈應(yīng)用的LED器件多達(dá)上百顆，通常采用以串聯(lián)為主的混聯(lián)組態(tài)方式，如果一顆LED發(fā)生故障，將會(huì)引起多顆LED連帶失效，因此應(yīng)用在寒冷地區(qū)的LED路燈首先要根據(jù)特定使用環(huán)境下的燈具溫度變化特性，設(shè)置合理的超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間及鍵合溫度等封裝工藝參數(shù)，保證每一顆LED器件在低溫運(yùn)行環(huán)境下的可靠性。

二、LED驅(qū)動(dòng)裝置低溫運(yùn)行的可靠性保障

另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)在于LED路燈驅(qū)動(dòng)裝置在低溫運(yùn)行環(huán)境下的可靠性問題。目前大多數(shù)LED路燈驅(qū)動(dòng)電源在寒地低溫環(huán)境下表現(xiàn)出不同類型的水土不服現(xiàn)象，較為突出的表征是低溫?zé)o法正常啟動(dòng)和長期低溫運(yùn)行環(huán)境下的失效率較高現(xiàn)象。上述問題出現(xiàn)的主要原因在于驅(qū)動(dòng)電源在設(shè)計(jì)階段的器件選型沒有考慮低溫工作狀態(tài)的可靠性，部分關(guān)鍵元器件低溫環(huán)境下的特性發(fā)生變化，造成驅(qū)動(dòng)裝置無法低溫啟動(dòng)或正常運(yùn)行，引發(fā)故障的具體原因主要有以下四個(gè)方面：

第一，開關(guān)管在低溫條件下載流子的密度和活性都會(huì)降低，過載保護(hù)的啟動(dòng)點(diǎn)也會(huì)因此降低；第二，電解電容電解液在低溫下凍結(jié)，失去電容效應(yīng)(溶液中的離子此時(shí)只存在離子極化)，無帶載能力；第三，部分類型的光藕器件在低溫狀態(tài)下無法正常工作；第四，輸入端防止浪涌電流的熱敏電阻，在低溫下阻值變大(是常溫的3～5倍)，也會(huì)造成低溫?zé)o法正常啟動(dòng)。

上述問題的解決途徑主要是從選擇溫度特性更好的器件入手。例如，不是所有的電解電容都無法在低溫下工作，一般來講，200V以上的電解電容耐低溫特性較差，而160V以下的電解電容基本都能夠在零下40℃環(huán)境正常工作，只要選用兩個(gè)低壓電解串連使用就可以解決問題。器件選型的調(diào)整可能會(huì)略微提高驅(qū)動(dòng)裝置的成本，但是從LED路燈的整體成本來看可以忽略不計(jì)，考慮到提高可靠性和降低維護(hù)成本的因素，這種設(shè)計(jì)調(diào)整是非常必要和劃算的。

三、LED路燈冰凌凝結(jié)危害的防護(hù)措施

路燈在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用非常容易被忽視的一個(gè)問題就是由于冰雪在燈具表面堆積，受熱融化后形成的冰凌，冰凌一旦形成，則會(huì)對車輛和行人產(chǎn)生非常大的安全隱患。尤其是LED路燈，由于燈具殼體普遍采用鋁材，表面的氧化鋁屬于親水性材料，更容易產(chǎn)生冰凌凝結(jié)。2008年，我國南方大范圍雪災(zāi)，造成鋁制表面高壓導(dǎo)線大量冰凌凝結(jié)，壓塌損毀大量的電力設(shè)施。這一災(zāi)害惡果不僅是氣候造成的，氧化鋁表面的高壓線纜屬于親水性材料也是一個(gè)重要誘因。由于影響到道路交通的安全，因此防止冰凌凝結(jié)是LED路燈在寒冷地區(qū)應(yīng)用必須考慮到的安全措施。

為了解決這一關(guān)鍵技術(shù)，我們通過對覆冰體表面進(jìn)行顯微成像分析，分析了水在物體表面結(jié)冰以及冰在物體表面可以牢固附著的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅僅采用疏水性能優(yōu)異的材料，防止冰凌凝結(jié)的效果并不理想，甚至水在某些材料表面可以凍得非常的結(jié)實(shí)。測試結(jié)果表明：冰可以附著在任何物體表面上；物體表面上的裂縫和凹陷，是冰可以牢固地粘附在物體表面上的另一個(gè)主要原因；單純疏水性能好的材料，可以延緩結(jié)冰的過程，卻無法阻止冰的形成。

為了更為準(zhǔn)確地對比不同材料間防止冰凌凝結(jié)的能力，我們從不同角度深入研究了不同物件的表面結(jié)構(gòu)、表面物性與覆冰的內(nèi)在關(guān)系，包括：結(jié)構(gòu)外形與覆冰、結(jié)構(gòu)材質(zhì)與覆冰、表面光潔度與覆冰、表面剛?cè)嵝耘c覆冰。研究結(jié)果表明：外形結(jié)構(gòu)簡單、組織結(jié)構(gòu)緊密、表面防水、疏水性能優(yōu)異的構(gòu)件，不容易發(fā)生冰凌凝結(jié)。

以此試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，我們連續(xù)幾年在冬季設(shè)立了不同外觀和外殼材料的LED路燈，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：凡是燈具外觀圓滑、光潔、平整的；沒有冰雪或水積存承載結(jié)構(gòu)的；表面材料具備優(yōu)異疏水性能的LED路燈不會(huì)產(chǎn)生冰凌凝結(jié)。

我國寒冷地區(qū)大多處于高緯度地域，氣候寒冷、溫差較大，因此對LED道路照明產(chǎn)品的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。另一方面，大多數(shù)寒冷地區(qū)年平均每天的照明時(shí)間長于國內(nèi)平均水平，故照明耗電也高于國內(nèi)平均水平，因此晝短夜長的地域特點(diǎn)帶來了更多的LED照明應(yīng)用需求�？傮w來看，LED照明產(chǎn)品的應(yīng)用既有挑戰(zhàn)又有機(jī)遇。