綦聯(lián)升--LED防爆照明技術

1、LED防爆照明技術及應用上海旗升電氣有限公司綦聯(lián)聲 目 錄 一、LED照明技術概述二、LED照明產(chǎn)品設計制造要點三、LED防爆照明技術特點四、LED照明在石油化工行業(yè)應用選擇五、LED照明工程案例分析六、附錄：工程實際照片一、LED照明技術概述1、LED發(fā)光原理2、LED發(fā)展歷程3、LED結(jié)構與分類4、LED技術性能1、LED發(fā)光原理lLED是利用半導體材料注入式電致發(fā)光原理制成的半導體器件l某些-族化合物半導體材料如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等具備電致發(fā)光現(xiàn)象。在以這些半導體材料制成的PN結(jié)中，在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)

2、域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。l光的強弱與電流的大小相關。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，不會發(fā)生復合作用，所以反向不發(fā)光。lLED又稱半導體光源或冷光源，是第四代光源，因為技術優(yōu)勢被譽為照明技術的革命。2、LED發(fā)展歷程序號序號 技術發(fā)展技術發(fā)展 應用領域應用領域11907年英國科學家第一次在碳化硅上發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光現(xiàn)象260 年代末英國科學家發(fā)明了第一個可見光砷化鎵紅光LED380年代，紅綠黃LED進入產(chǎn)業(yè)化階段信號燈/指示燈41998年日本Nichia公司第一個制成超高亮度藍光芯片，隨即合成白光，世界上第一個超高亮度白光LE

3、D制成背光照明52003年美國 Cree公司首次制成1W 大功率白光芯片，采用芯片倒裝結(jié)構，光效為20lm/w左右。達到白熾燈水平局部照明領域62007年美國 Cree公司采用共晶工藝大幅提高光效，達到60Lm/W，達到日光燈水平礦燈等特種照明72009年功率型LED進入產(chǎn)業(yè)化階段，光效達到100Lm/W，超越高壓氣體燈工業(yè)通用照明8目前產(chǎn)業(yè)化光效達到120Lm/W，最高效光源全行業(yè)照明9目前各國大力發(fā)展，日本/美國/歐盟都有專門推進戰(zhàn)略，我們也專門制定國家十二五LED 照明戰(zhàn)略，大力推廣未來主流照明技術3、LED結(jié)構與分類nLED目前主要由-族化合物如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、G

4、aAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，主要生產(chǎn)工藝是：晶片生長晶片切割篩選管子封裝。nLED的分類一般如下: 按發(fā)光顏色分 ：紅色、黃色、橙色、綠色、藍光、白光等. 按發(fā)光強度分 ：普通亮度LED（光強10mcd）、高亮度LED（光強10100mcd）、超高亮度的LED（光強100mcd）。n按工作功率分：小功率（0.06W），功率型（0.06W1W），大功率（1W）。n按功率封裝方式:單芯片和多芯片集成式.n在工業(yè)照明方面廣泛應用的主要是大功率白光LED。 功率型LED結(jié)構與部分產(chǎn)品照片4、LED技術性能1、發(fā)發(fā)光效率高、光學性能好光效率高、光學性能好-節(jié)電效果顯著節(jié)電效果顯著第一代：電熱光源

5、 光效10-15 Lm/W、壽命1500H 典型：白熾燈、碘鎢燈第二代：低壓氣體放電燈 光效40-50 Lm/W、壽命3000H 典型：汞燈、熒光燈第三代：高壓氣體放電燈 光效60-80 Lm/W 、壽命6000H 典型：金鹵燈、高壓鈉燈。第四代：LED白光照明 目前光效120 Lm/W ，理論值683 Lm/W ，壽命60000H。 達到同等照度情況下 ： LED耗電是白熾光源的20%、低壓熒光燈的40%、高壓氣體燈60%，節(jié)電顯著效果。2 2、結(jié)構穩(wěn)定可靠、超長壽命、結(jié)構穩(wěn)定可靠、超長壽命-可以實現(xiàn)免維護可以實現(xiàn)免維護 LED光源結(jié)構穩(wěn)定可靠，抗沖擊、耐震動，正常條件下使用壽命長達6萬小時

6、無須維護。3 3 、本質(zhì)安全、性能優(yōu)異、本質(zhì)安全、性能優(yōu)異-理想的工業(yè)照明光源理想的工業(yè)照明光源LED工作電壓為直流低壓（典型值為：3.2v），本質(zhì)安全可靠，是理想的安全光源。LED為冷光源，發(fā)熱量低、體積小重量輕，結(jié)構穩(wěn)定可靠，極其適宜防爆等特種場所。 4 4、綠色、環(huán)保、綠色、環(huán)保 LED光源不含汞、鈉等常規(guī)光源所使用的環(huán)境有害元素，是名副其實的綠色光源。二、LED照明產(chǎn)品制造技術要點1、芯片技術要點2、散熱技術要點3、配光技術要點4、LED組件技術要點5、驅(qū)動電源技術要點1、芯片技術要點 LED芯片是照明的核心，選擇至關重要，要求是：光效高、光衰低。n芯片最好采用共晶工藝，襯底材料采用碳

7、化硅，光通量高，目前產(chǎn)業(yè)化水準為不低于120LM/W。推薦CREE公司芯片。n采用產(chǎn)業(yè)化成熟大功率LED。目前大功率LED有兩種發(fā)展方向，其一是單芯片，其二是集成功率式，即多晶片陣列封裝。 1、單芯片是目前產(chǎn)業(yè)化主流的封裝技術，1W/3W單芯片技術成熟，性能穩(wěn)定，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)實踐驗證。 2、集成功率式是一種正在發(fā)展中的封裝技術，利用多晶片陣列獲得高光通量。缺陷是受限于散熱問題。功率密度較低模組采用自然對流換熱，基本可以保證芯片散熱效果，但集成度較高的大功率模組，采用自然對流換熱而不采用主動散熱技術（如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流等）則很難保證其散熱效果。 所以在目前的技術水準下，推薦選擇成熟的單

8、芯片組合模組方式，均勻分布，實現(xiàn)分散導熱。目前的工業(yè)實踐證明這是一種比較可靠的選擇，2、散熱技術要點（1）l散熱設計是LED照明的關鍵環(huán)節(jié)lLED芯片溫度參數(shù)： 85為轉(zhuǎn)折溫度，低于85 壽命可達60000小 時，高于85 會嚴重影響芯片壽命，大于120 則會迅速損壞芯片。 散熱技術要點（2）nLED照明散熱技術核心是解決三個環(huán)節(jié)的熱傳遞問題：晶片PN結(jié)到外延層、外延層到封裝基板、封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。n晶片PN結(jié)到外延層散熱： 核心是采用導熱更好的襯底材料。早期LED采用硅作為襯底。后來采用藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能稍差一些，再后來Cree公司采用碳化硅硅做襯底，其導

9、熱性能比藍寶石提高將近20倍，散熱效果大大提高，顯著的提高了LED的壽命。碳化硅的缺點是成本比較高。推薦碳化硅襯底芯片n外延層到封裝基板散熱： LED封裝早期采用的TIM為導電膠和導熱膠，熱導率較低，界面熱阻較高。 后期采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。推薦選用共晶工藝芯片. n封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣散熱: 首先,采用鋁基線路板, 推薦采用回流焊接工藝,使封裝基板與鋁基板成為一體. 其次,采用金屬材質(zhì)殼體做為導熱媒介, 設計對流通道,散熱面積合適。n 最后,工業(yè)照明LED產(chǎn)品要合理設計結(jié)構,分腔結(jié)構是一個比較合理的結(jié)構，因為光源腔、電源

10、腔空間隔離可以良好的實現(xiàn)熱隔離，對產(chǎn)品壽命提升顯著3、配光技術要點 根據(jù)LED光學特性，有必要進行二次配光。一般原則為：n首先，根據(jù)使用場所選擇不同LED色溫，以提供合適的照明光色。n其次，進行二次配光設計，合理控制燈具光照范圍，適合工業(yè)現(xiàn)場需求。n最后，透明部件可以采用PC等工程塑料，通過添加光擴散劑，實現(xiàn)柔和照明 4、LED組件技術要點 LED組件內(nèi)芯片電氣連接拓撲結(jié)構比較重要，有以下技術原則：n首先，LED實現(xiàn)模塊化，每個模塊功率30-60W，大功率采用模塊組合。n其次，模塊內(nèi)單芯片采用先串聯(lián)再并聯(lián)模式，LED串聯(lián)10只為宜，模塊工作電壓在32V左右，可以滿足歐盟IEC 61347-2-

11、13 (5/2006)標準： LED模塊電壓不超過最大安全特低電壓(SELV)，同時又兼顧驅(qū)動電壓與電流5、驅(qū)動電源技術要點n驅(qū)動電源是關鍵環(huán)節(jié)，對LED照明的壽命起到至關重要的作用。 幾個特點：（1）LED是負阻溫度特性，要求恒流驅(qū)動（2）LED是低壓元件，所以要有可靠的限壓保護措施。nLED驅(qū)動電源技術原則如下： 首先，必須采用恒流源，元器件采用工業(yè)等級，功率因數(shù)及效率滿足標準。 其次，建議采取溫度保護環(huán)節(jié)。推薦采用分立式PPTC是，將PTC直接安裝 LED散熱板以實現(xiàn)直接熱傳導，可以及時有效保護LED模組。 最后，針對工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境采取以下措施：電源模塊膠封以作到防水防潮降低電源故障、

12、電源要模塊化便于維修更換。三、LED防爆照明技術特點1、防爆結(jié)構2、防爆性能3、防護性能4、維護性能 1、防爆結(jié)構1 1、防爆結(jié)構必須與散熱結(jié)合設計，消除密閉腔內(nèi)、防爆結(jié)構必須與散熱結(jié)合設計，消除密閉腔內(nèi)LEDLED熱量。熱量。2 2、比較好設計方案是分成獨立的三腔結(jié)構：光源腔、比較好設計方案是分成獨立的三腔結(jié)構：光源腔 + + 電源腔電源腔 + + 接線腔接線腔 可以很好的解決防爆、防水、散熱問題可以很好的解決防爆、防水、散熱問題。2、防爆性能LEDLED防爆照明防爆性能優(yōu)異，常規(guī)照明產(chǎn)品難以比擬：防爆照明防爆性能優(yōu)異，常規(guī)照明產(chǎn)品難以比擬：1 1、隔爆、隔爆CC等級等級 常規(guī)產(chǎn)品一般是常規(guī)

13、產(chǎn)品一般是BB2 2、T6T6溫升級別溫升級別 常規(guī)產(chǎn)品一般作到常規(guī)產(chǎn)品一般作到T4T43 3、可用于所有、可用于所有1 1區(qū)、區(qū)、2 2區(qū)防爆區(qū)域。區(qū)防爆區(qū)域。 10W10W以下可以作到本安，用于以下可以作到本安，用于0 0區(qū)區(qū). .3、防護性能 LEDLED防爆照明防護性能優(yōu)異，常規(guī)照明產(chǎn)品難以比擬：防爆照明防護性能優(yōu)異，常規(guī)照明產(chǎn)品難以比擬：1 1、殼體采用合金鋁壓鑄，堅固可靠。、殼體采用合金鋁壓鑄，堅固可靠。2 2、防護等級達到、防護等級達到IP65/IP66IP65/IP66，常規(guī)產(chǎn)品一般是，常規(guī)產(chǎn)品一般是IP54IP543 3、采用表面噴涂技術，耐腐蝕性能優(yōu)異，適用于所有室外及野外

14、環(huán)境。、采用表面噴涂技術，耐腐蝕性能優(yōu)異，適用于所有室外及野外環(huán)境。4、維護性能n具備長壽命、免維護功能n正常使用條件下可以實現(xiàn)正常使用條件下可以實現(xiàn)3-6年免維護。常規(guī)燈具必須半年更換一次光源。年免維護。常規(guī)燈具必須半年更換一次光源。四、LED照明在石油/化工行業(yè)應用1、行業(yè)現(xiàn)場環(huán)境分析2、產(chǎn)品應用與選擇原則3、特殊照明技術1、行業(yè)現(xiàn)場環(huán)境分析n石油/化工現(xiàn)場環(huán)境一般比較惡劣，很多工作場所高溫高壓、易燃易爆、高空危險，對照明產(chǎn)品較高要求。n一般三個要求：首先防爆性能可靠，其次維護量小，最后節(jié)能。n目前現(xiàn)場照明大多采用傳統(tǒng)光源，技術性能較差，存在較多問題： 1、燈具光效較低，高耗能，目前不少在

15、用燈具是國家明令淘汰的低壓汞燈 2、燈具使用壽命較短，造成燈具維護量大、維護費用較高。 3、存在較大安全隱患。由于光源更換頻繁，極易破壞燈具的防爆防護等級， 造成防爆結(jié)構失效帶來安全隱患。n石油/化工企業(yè)現(xiàn)場從照明產(chǎn)品應用選擇一般分為三類區(qū)域：1、防爆區(qū)域：各類塔、反應器、罐等生產(chǎn)裝置區(qū)域。必須采用防爆燈具2、高防護等級區(qū)域：熱電廠/水廠等裝置、倉庫，超出防爆范圍的室外設備 不要防爆燈具，但必須采用高防護等級燈具3、特種照明區(qū)域：金屬容器內(nèi)、隧道、重要設備間等，須采用應急或安全照明2、產(chǎn)品應用選擇原則（1） 一般在企業(yè)現(xiàn)場運行與維護可以遵循以下原則：n產(chǎn)品選擇慎重：對散熱、驅(qū)動電源、芯片等關鍵

16、環(huán)節(jié)進行認真評估選擇。n嚴格安裝工藝：燈具本身雖然具備較好防護，但在安裝時一定要嚴格工藝，消除連接處進水隱患。n建立設備理念：LED照明產(chǎn)品具備幾年免維護運行功能，改變易耗品理念可以，建立設備管理理念，日常常規(guī)巡視，進行計劃維護。產(chǎn)品應用選擇原則（2） LED照明產(chǎn)品功率選擇原則：1、1.52米高度, 典型區(qū)域:電纜隧道、低矮通道等。 選用：LED燈具功率8-10W。 替代20W 日光燈/100W 白熾燈 典型高度2米，地面照度可以達到60LX。2、2-4米高度，典型區(qū)域有：塔、罐、爐等平臺、較小泵房、設備間等。 選用：燈具功率20W-30W。 替代125W汞燈/70W金鹵燈/40W日光燈。

17、典型高度2.7米，地面照度可以達到80LX3、4-6米高度，典型區(qū)域有：低層管排、低層框架、較大泵房等。 選用：燈具功率40W-60W。 替代250W汞燈/150W金鹵燈/80W日光燈。 典型高度4.5米，地面照度可以達到90LX3、特殊照明技術 LED 光源低發(fā)熱、光效高、電壓低等特點，極其適用特殊照明。 石油/化工一般有以下特殊照明應用： 1、 應急照明：適用于控制室、變電所等重要場所。 既可以采用傳統(tǒng)單燈配置電池方式，也可采用直流電壓，由直流屏或EPS直接供電，實現(xiàn)事故照明與正常照明合一。簡單可靠，成本低廉。 2、安全電壓照明：適用于潮濕或金屬作業(yè)場所，如罐、塔內(nèi)部，修井車等設備 LED

18、照明可以提供多種工作電壓（220/127/110/48/36/4/12V)， 是極其理想的安全照明產(chǎn)品五、LED照明工程案例分析1、技術經(jīng)濟效益分析2、實際案例工程應用總結(jié)LED照明與常規(guī)照明技術及經(jīng)濟性能對比序號項目白熾燈、低壓汞燈日光燈高壓氣體放電燈LED光源備注1發(fā)光效率（LM/W）10-154-5060-80100以上2同等照度電功率產(chǎn)品125W60W70W20W目前在用石化主流照明燈具3防爆等級增安或隔爆 溫度組別T4增安或隔爆 溫度組別T4增安或隔爆 溫度組別T3隔爆C 溫度組別T64防護等級IP64以下IP64以下IP64以下IP65以上運行費用對比5年度能耗費用（元）45621922773日亮10小時，電費1元6能耗比例100%48%56%16%7壽命（小時）1000300060006萬8年度維護費用（材料、人工）100元100元150元無9中等規(guī)模煉廠照明年度費用1112萬元638萬元554萬元146萬元2萬只燈（目前80%以上為汞燈）10年度費用比例100%57%49.80%13.00%新建投資對比11工程投資單價（元）明令淘