В многокристальной светодиодной системе действуют различные механизмы теплоэлектрической обратной связи, которые приводят к неравномерному профилю температуры в конструкции. Это является причиной нагрева светодиодов, составляющих светодиодную матрицу, до критических значений температур и термомеханических напряжений, приводящих к ускорению процесса деградации и снижению расчетного срока безотказной работы прибора. В работе представлена теплоэлектрическая модель светодиодной матрицы, состоящей из n параллельно соединенных цепочек, содержащих по m последовательно соединенных кристаллов светодиодов, размещенных на монтажной пластине. Учтено перераспределение полного тока матрицы между цепочками в результате саморазогрева светодиодной матрицы. Математическое описание термоэлектрической модели включает в себя уравнение теплопроводности с соответствующими граничными условиями и выражение для зависимости силы токов, протекающих через цепочки последовательно соединенных кристаллов светодиодов, от температуры. Профиль температуры в конструкции светодиодной матрицы найден с помощью специально разработанной программы, содержащей итерационное обращение к программной среде COMSOL Multiphysics, при этом исследована сходимость применяемого расчетного алгоритма. Показано, что перераспределение тока между цепочками последовательно соединенных кристаллов светодиодов приводит к существенному увеличению неравномерности профиля температуры по поверхности светодиодной матрицы. Получена зависимость коэффициента неравномерности профиля температуры по верхней поверхности светодиодной матрицы от силы тока. Проведена экспериментальная верификация модели.
1. Improvement of thermal and optical behavior of multi-chip LEDs package / Kh. B. Abdelmlek, Z. Araoud, K. Charrada et al. // Case Stud. Therm. Eng. 2022. Vol. 39. Art. ID: 102395.
https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.102395
2. Shirobokova T. A., Surinsky D. O., Egorov S. V. Modeling of led luminaires with optimal temperature operation of leds // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 2131. Iss. 5. Art. No. 052093.
https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/5/05209
3. Исследование теплового режима в мощных светодиодных матрицах / А. В. Аладов, И. В. Белов, В. П. Валюхов и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2018. Т. 11. № 3. С. 39–51.
https://doi.org/10.18721/JPM.11304. – EDN: YBRQVN.
4. Schans M. van der, Yu J., Martin G. Digital luminaire design using LED digital twins – accuracy and reduced computation time: A Delphi4LED methodology // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 18. Art. No. 4979.
https://doi.org/10.3390/en13184979
5. Dynamic prediction of optical and chromatic performances for a light-emitting diode array based on a thermal-electrical-spectral model / J. Fan, W. Chen, W. Yuan et al. // Opt. Express. 2020. Vol. 28. Iss. 9. P. 13921–13937.
https://doi.org/10.1364/OE.387660
6. Energy efficiency of a LED lighting system using a Peltier module thermal converter / A. B. Halima, Z. Araoud, L. Canale et al. // Case Stud. Therm. Eng. 2022. Vol. 34. Art. ID: 101989.
https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101989
7. Shi D., Feng S., Zhang Y., Yang J. Thermal analysis of multiple light sources based on the superposition method // 2014 12th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). Guilin: IEEE, 2014. P. 1–3.
https://doi.org/10.1109/ICSICT.2014.7021444
8. Сергеев В. А., Ходаков А. М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. Ульяновск: УлГТУ, 2012. 160 с. EDN: QMXKCV.
9. Efficient measurement of thermal coupling effects on multichip light-emitting diodes / H.-L. Lu, Y.-J. Lu, L.-H. Zhu et al. // IEEE Transactions on Power Electronics. 2017. Vol. 32. No. 12. P. 9280–9292.
https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2653193
10. Górecki K., Ptak P. Modelling mutual thermal coupling in LED modules // Microelectronics International. 2015. Vol. 32. Iss. 3. P. 152–157.
https://doi.org/10.1108/MI-01-2015-0013
11. Sergeev V. A., Khodakov A. M. Thermoelectric models of high-power bipolar semiconductor devices. II. Nonlinear model of LEDs // J. Commun. Technol. Electron. 2015. Vol. 60. P. 1328–1332.
https://doi.org/10.1134/S1064226915080161
12. Сергеев В. А., Ходаков А. М., Фролов И. В. Модель деградации InGaN/GaN светодиода при токовых испытаниях с учетом неоднородного распределения температуры и плотности тока в гетероструктуре // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2020. Т. 12. № 3. С. 329–334.
https://doi.org/10.17725/rensit.2020.12.329. – EDN: UHUUDJ.
13. Мощный светодиод ARPL-300W-BCB-7080-PW (7000 mA) // Arlight [Электронный ресурс]. URL:
https://arlight.ru/catalog/product/018455/ (дата обращения: 28.08.2024).
14. DS-C15 LED by Bridgelux // GoPhotonics [Электронный ресурс]. URL:
https://www.gophotonics.com/products/led-light-emitting-diodes/bridgelux/25-106-ds-c15 (дата обращения: 28.08.2024).
15. Sadeghi E., Bahrami M., Djilali N. Thermal spreading resistance of arbitrary-shape heat sources on a half-space: A unified approach // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2010. Vol. 33. No. 2. P. 267–277.
https://doi.org/10.1109/TCAPT.2010.2043843
16. Прекращение поставок клея DM6030 после марта 2020 г. // Ostec: группа компаний [Электронный ресурс]. 20.05.2019. URL:
https://ostec-materials.ru/news/ostec/prekrashchenie_postavok_kleya_dm6030_posle_marta_2020_g-2919/ (дата обращения: 20.11.2024).