綦联升--LED防爆照明技术

LED防爆照明技术及应用,上海旗升电气有限公司綦联声,目录,一、LED照明技术概述二、LED照明产品设计制造要点三、LED防爆照明技术特点四、LED照明在石油化工行业应用选择五、LED照明工程案例分析六、附录：工程实际照片,一、LED照明技术概述,1、LED发光原理2、LED发展历程3、LED结构与分类4、LED技术性能,1、LED发光原理,LED是利用半导体材料注入式电致发光原理制成的半导体器件某些-族化合物半导体材料如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等具备电致发光现象。在以这些半导体材料制成的PN结中，在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。光的强弱与电流的大小相关。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，不会发生复合作用，所以反向不发光。LED又称半导体光源或冷光源，是第四代光源，因为技术优势被誉为照明技术的革命。,2、LED发展历程,3、LED结构与分类,LED目前主要由-族化合物如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，主要生产工艺是：晶片生长晶片切割筛选管子封装。LED的分类一般如下:按发光颜色分：红色、黄色、橙色、绿色、蓝光、白光等.按发光强度分：普通亮度LED（光强10mcd）、高亮度LED（光强10100mcd）、超高亮度的LED（光强100mcd）。按工作功率分：小功率（0.06W），功率型（0.06W1W），大功率（1W）。按功率封装方式:单芯片和多芯片集成式.在工业照明方面广泛应用的主要是大功率白光LED。,功率型LED结构与部分产品照片,4、LED技术性能,1、发光效率高、光学性能好-节电效果显著第一代：电热光源光效10-15Lm/W、寿命1500H典型：白炽灯、碘钨灯第二代：低压气体放电灯光效40-50Lm/W、寿命3000H典型：汞灯、荧光灯第三代：高压气体放电灯光效60-80Lm/W、寿命6000H典型：金卤灯、高压钠灯。第四代：LED白光照明目前光效120Lm/W，理论值683Lm/W，寿命60000H。达到同等照度情况下：LED耗电是白炽光源的20%、低压荧光灯的40%、高压气体灯60%，节电显著效果。2、结构稳定可靠、超长寿命-可以实现免维护LED光源结构稳定可靠，抗冲击、耐震动，正常条件下使用寿命长达6万小时无须维护。3、本质安全、性能优异-理想的工业照明光源LED工作电压为直流低压（典型值为：3.2v），本质安全可靠，是理想的安全光源。LED为冷光源，发热量低、体积小重量轻，结构稳定可靠，极其适宜防爆等特种场所。4、绿色、环保LED光源不含汞、钠等常规光源所使用的环境有害元素，是名副其实的绿色光源。,二、LED照明产品制造技术要点,1、芯片技术要点2、散热技术要点3、配光技术要点4、LED组件技术要点5、驱动电源技术要点,1、芯片技术要点,LED芯片是照明的核心，选择至关重要，要求是：光效高、光衰低。芯片最好采用共晶工艺，衬底材料采用碳化硅，光通量高，目前产业化水准为不低于120LM/W。推荐CREE公司芯片。采用产业化成熟大功率LED。目前大功率LED有两种发展方向，其一是单芯片，其二是集成功率式，即多晶片阵列封装。1、单芯片是目前产业化主流的封装技术，1W/3W单芯片技术成熟，性能稳定，已经产业实践验证。2、集成功率式是一种正在发展中的封装技术，利用多晶片阵列获得高光通量。缺陷是受限于散热问题。功率密度较低模组采用自然对流换热，基本可以保证芯片散热效果，但集成度较高的大功率模组，采用自然对流换热而不采用主动散热技术（如翅片+风扇、热管、液体强迫对流等）则很难保证其散热效果。所以在目前的技术水准下，推荐选择成熟的单芯片组合模组方式，均匀分布，实现分散导热。目前的工业实践证明这是一种比较可靠的选择，,2、散热技术要点（1）,散热设计是LED照明的关键环节LED芯片温度参数：85为转折温度，低于85寿命可达60000小时，高于85会严重影响芯片寿命，大于120则会迅速损坏芯片。,散热技术要点（2）,LED照明散热技术核心是解决三个环节的热传递问题：晶片PN结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到外部冷却装置再到空气。晶片PN结到外延层散热：核心是采用导热更好的衬底材料。早期LED采用硅作为衬底。后来采用蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能稍差一些，再后来Cree公司采用碳化硅硅做衬底，其导热性能比蓝宝石提高将近20倍，散热效果大大提高，显著的提高了LED的寿命。碳化硅的缺点是成本比较高。推荐碳化硅衬底芯片外延层到封装基板散热：LED封装早期采用的TIM为导电胶和导热胶，热导率较低，界面热阻较高。后期采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。推荐选用共晶工艺芯片.封装基板到外部冷却装置再到空气散热:首先,采用铝基线路板,推荐采用回流焊接工艺,使封装基板与铝基板成为一体.其次,采用金属材质壳体做为导热媒介,设计对流通道,散热面积合适。最后,工业照明LED产品要合理设计结构,分腔结构是一个比较合理的结构，因为光源腔、电源腔空间隔离可以良好的实现热隔离，对产品寿命提升显著,3、配光技术要点,根据LED光学特性，有必要进行二次配光。一般原则为：首先，根据使用场所选择不同LED色温，以提供合适的照明光色。其次，进行二次配光设计，合理控制灯具光照范围，适合工业现场需求。最后，透明部件可以采用PC等工程塑料，通过添加光扩散剂，实现柔和照明,4、LED组件技术要点,LED组件内芯片电气连接拓扑结构比较重要，有以下技术原则：首先，LED实现模块化，每个模块功率30-60W，大功率采用模块组合。其次，模块内单芯片采用先串联再并联模式，LED串联10只为宜，模块工作电压在32V左右，可以满足欧盟IEC61347-2-13(5/2006)标准：LED模块电压不超过最大安全特低电压(SELV)，同时又兼顾驱动电压与电流,5、驱动电源技术要点,驱动电源是关键环节，对LED照明的寿命起到至关重要的作用。几个特点：（1）LED是负阻温度特性，要求恒流驱动（2）LED是低压元件，所以要有可靠的限压保护措施。LED驱动电源技术原则如下：首先，必须采用恒流源，元器件采用工业等级，功率因数及效率满足标准。其次，建议采取温度保护环节。推荐采用分立式PPTC是，将PTC直接安装LED散热板以实现直接热传导，可以及时有效保护LED模组。最后，针对工业现场恶劣环境采取以下措施：电源模块胶封以作到防水防潮降低电源故障、电源要模块化便于维修更换。,三、LED防爆照明技术特点,1、防爆结构2、防爆性能3、防护性能4、维护性能,1、防爆结构,1、防爆结构必须与散热结合设计，消除密闭腔内LED热量。2、比较好设计方案是分成独立的三腔结构：光源腔+电源腔+接线腔可以很好的解决防爆、防水、散热问题。,2、防爆性能,LED防爆照明防爆性能优异，常规照明产品难以比拟：1、隔爆C等级常规产品一般是B2、T6温升级别常规产品一般作到T43、可用于所有1区、2区防爆区域。10W以下可以作到本安，用于0区.,3、防护性能,LED防爆照明防护性能优异，常规照明产品难以比拟：1、壳体采用合金铝压铸，坚固可靠。2、防护等级达到IP65/IP66，常规产品一般是IP543、采用表面喷涂技术，耐腐蚀性能优异，适用于所有室外及野外环境。,4、维护性能,具备长寿命、免维护功能正常使用条件下可以实现3-6年免维护。常规灯具必须半年更换一次光源。,四、LED照明在石油/化工行业应用,1、行业现场环境分析2、产品应用与选择原则3、特殊照明技术,1、行业现场环境分析,石油/化工现场环境一般比较恶劣，很多工作场所高温高压、易燃易爆、高空危险，对照明产品较高要求。一般三个要求：首先防爆性能可靠，其次维护量小，最后节能。目前现场照明大多采用传统光源，技术性能较差，存在较多问题：1、灯具光效较低，高耗能，目前不少在用灯具是国家明令淘汰的低压汞灯2、灯具使用寿命较短，造成灯具维护量大、维护费用较高。3、存在较大安全隐患。由于光源更换频繁，极易破坏灯具的防爆防护等级，造成防爆结构失效带来安全隐患。石油/化工企业现场从照明产品应用选择一般分为三类区域：1、防爆区域：各类塔、反应器、罐等生产装置区域。必须采用防爆灯具2、高防护等级区域：热电厂/水厂等装置、仓库，超出防爆范围的室外设备不要防爆灯具，但必须采用高防护等级灯具3、特种照明区域：金属容器内、隧道、重要设备间等，须采用应急或安全照明,2、产品应用选择原则（1）,一般在企业现场运行与维护可以遵循以下原则：产品选择慎重：对散热、驱动电源、芯片等关键环节进行认真评估选择。严格安装工艺：灯具本身虽然具备较好防护，但在安装时一定要严格工艺，消除连接处进水隐患。建立设备理念：LED照明产品具备几年免维护运行功能，改变易耗品理念可以，建立设备管理理念，日常常规巡视，进行计划维护。,产品应用选择原则（2）,LED照明产品功率选择原则：1、1.52米高度,典型区域:电缆隧道、低矮通道等。选用：LED灯具功率8-10W。替代20W日光灯/100W白炽灯典型高度2米，地面照度可以达到60LX。2、2-4米高度，典型区域有：塔、罐、炉等平台、较小泵房、设备间等。选用：灯具功率20W-30W。替代125W汞灯/70W金卤灯/40W日光灯。典型高度2.7米，地面照度可以达到80LX3、4-6米高度，典型区域有：低层管排、低层框架、较大泵房等。选用：灯具功率40W-60W。替代250W汞灯/150W金卤灯/80W日光灯。典型高度4.5米，地面照度可以达到90LX,3、特殊照明技术,LED光源低发热、光效高、电压低等特点，极其适用特殊照明。石油/化工一般有以下特殊照明应用：1、应急照明：适用于控制室、变电所等重要场所。既可以采用传统单灯配置电池方式，也可采用直流电压，由直流屏或EPS直接供电，实现事故照明与正常照明合一。简单可靠，成本低廉。2、安全电压照明：适用于潮湿或金属作业场所，如罐、塔内部，修井车等设备LED照明可以提供多种工作电压（220/127/110/48/36/4/12V)，是极其理想的安全照明产品,五、LED照明工程案例分析,1、技术经济效益分析2、实际案例工程应用总结,1、技术经济效益分析,2、实际案例工程应用总结,1、LED照明2008年启动，目前已经在很多领域进入产业化基本成熟阶段2、防爆照明走在时代前列，2008年中石化/中石油开始推广应用，历经5年探索，目前已经进入到产业化成熟阶段。3、产品多腔结构、电源胶封等关键技术相继采用，产品质量大幅提高，已经进入标准化、批量化的成熟阶段。部分知名厂家产品已经获得国际认证，与国际先进水平相当，走向世界。4、市场推广迅猛，国家政策大力