第1章 LED照明与驱动技术概述

1.1 LED照明发展概况

1.1.1 LED照明发展简史

照明是人类生活和工作的基本条件，照明技术的发展与人类发展的历史共始终。火的发现和利用，使人类摆脱了自然光源的束缚和限制，产生了人造光源，实现了照明技术的第一次革命。此后，人类不断探索更加稳定的照明技术，随着18世纪电的发现和利用（1809年，英国化学家戴维首次由电产生了光；1879年，爱迪生发明了白炽灯，这是人类历史上第一个人造电光源），从此人类从火的照明时代进入电的照明时代，实现了照明技术的第二次革命。由于白炽灯电-光转化效率较低，其后人们不断寻找更加高效的照明技术，20世纪30年代，气体放电产生可见光的技术出现（1938年，美国GE公司的科学家伊曼发明了荧光灯，之后出现了其他各种气体放电灯，如钠灯、汞灯、金卤灯等），实现了照明技术的第三次革命。上述两类电光源是靠通电情况下的白炽化或气体放电来工作的，工作过程涉及高温或斯托克斯位移，因此较大的能量损失是这两种工作原理的固有特性。20世纪末出现的LED照明（也称为半导体照明或固态照明），提供了产生光的另一种方法，它在通电情况下通过注入载流子使过剩电子和空穴复合释放光子，能量损失很小，因此，以其长寿命、高效节能、可调可控等优点，得到广泛应用，引发了照明技术的第四次革命。

LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）在照明领域的发展可谓异军突起。最初发明LED并不是以照明为目标的，1907年，Round首次发现碳化硅（SiC）电致可发出微弱黄光，1962年，Holonyak基于磷砷化镓半导体材料发明第一个可见光LED——红光LED，此时商用化的红光LED光效大约为0.1 lm/W，比一般的60～100W白炽灯（15lm/W）低100多倍。随后利用氮掺杂工艺的发展，磷砷化镓器件的效率达到了1lm/W。20世纪70年代，黄光LED、绿光LED相继出现。20世纪80年代，砷化镓、磷化铝的使用催生了第一代高亮度LED，红光LED的光效达到了10lm/W。其后，LED的亮度一直得不到很大提高，而且其发光颜色也比较单调，所以直到20世纪末，LED主要实现显示、指示功能，广泛用于各种信号、数字、文字显示等领域，但LED仍然不够进入照明领域的门槛，原因有三：一是LED还无法发出白光；二是光效低于白炽灯；三是单颗LED的功率小，在十几～几十mW之间，即使光效高也无法输出大的光通量。

蓝光LED的发明是LED进入照明领域的里程碑。1996年，日本Nichia公司科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝光二极管，自此三基色（红色、绿色和蓝色）LED均研制成功，使得LED产生白光成为可能，引发了LED照明的研究与应用热潮，其为此荣获了2014年诺贝尔物理学奖。白光LED主要通过两种方法实现：①利用荧光粉对LED单色光波长进行变换，如YAG荧光粉将蓝光LED的部分蓝光转换成黄光，黄光与未转换的蓝光合成白光；三色荧光粉将紫外光泵浦后会发出三基色光，从而也可合成白光。通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED于2000年研制成功，此后由于这种方法构造简单、成本低廉、技术成熟度高，所以成为制备白光LED的主要方法。②把不同基色的LED所发出的单色光合成，进而实现白光，如用三原色LED芯片或者色光互补的黄、蓝LED芯片合成。这种方法必须精确控制各LED芯片的电流大小才能发出白光，电路复杂，成本较高。

LED照明的白光问题解决后，其单管功率和光效也迅速提升。最初的LED单管功率一般均在几十mW，1999年单管输入功率达1W的LED就商品化，2002年就有5W LED出现，这段时间的LED光效大约为20lm/W。其后，美国Cree公司的LED芯片光效不断提升，成为行业的标杆，其白光LED光效在2003年达到65lm/W，2005年达到70lm/W，2007年达到129lm/W（实验室光效），2008年达到161lm/W，2009年达到186lm/W，2010年达到208lm/W，2011年达到231lm/W，2012年达到254lm/W，2013年达到276lm/W，2014年达到303lm/W，其后基本稳定在这个水平。

在LED芯片突破光色、光效和功率的门槛之后，配套的驱动技术、配光技术、散热技术及灯具集成技术随之跟进，各种LED灯具在照明领域开始得到推广应用，LED照明的独特优点逐渐体现，在全球节能减排浪潮的推动下，LED照明的新时代已经到来。

1.1.2 LED照明的特点与应用领域

1.LED照明的特点

与白炽灯、荧光灯等传统照明技术相比，LED照明技术可以将电能直接转化为光能，明显提高了能量转化效率，其应用于照明领域具有以下优点：

1）节能高光效。白炽灯和卤钨灯的发光效率为12～24lm/W，荧光灯和HID（氙气）灯的光效为50～120lm/W，LED经过不断的发展其发光效率一直在不断提高，目前LED芯片实验室光效已经达到303lm/W（Cree公司，2014年），LED灯具光效达到134lm/W（Cree公司，暖白色，2016年），已经超过白炽灯和荧光灯。在光输出相同的情况下，LED灯具的能耗较白炽灯可减少80%。

2）使用寿命长。白炽灯的使用寿命为1000～2000h，荧光灯、节能灯的寿命为5000～10000h，LED芯片的寿命一般可达80000～100000h。从技术上讲，LED整灯的使用寿命达到30000h已经不成问题，但实际上往往考虑成本因素选用质量较差的驱动电源及散热模块，从而导致LED整灯的使用寿命大幅下降。

3）响应时间快。白炽灯响应时间为ms级，LED的响应时间一般只有几ns～几十ns。

4）色彩丰富。白炽灯和荧光灯基本上为冷白色和暖白色，如要产生彩色光，需要在灯具表面刷涂料或遮盖有色片，或者在灯具中充惰性气体，因此色彩的丰富性受到了限制。LED目前已有多种单色芯片，包括红、绿、蓝三原色芯片，因此理论上可以组合出任意颜色。

5）控制灵活。白炽灯和荧光灯等传统灯具一般适宜于开关控制，LED灯具不仅可以开关控制，而且可以方便地实现连续调光，对于多种基色混光的LED灯具还可实现连续调节色温或颜色；LED的开关次数与寿命无关，因此也可实现丰富多彩的动态变化效果，成为景观照明、情景照明的理想选择。

6）绿色环保。一般荧光灯含有汞，废弃后如处理不当会污染环境。LED不含汞、铅等危害健康的物质，废弃物易回收再利用、不污染环境。

7）电气安全性好。传统的光源大多在高压下工作，使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED采用低压直流供电，电气安全性好。

8）属于冷光源。LED不是由于被加热到高温状态才发光，属于由于电子能级跃迁而释放光能的冷光源，而且LED光谱比较集中，因此不会像白炽灯、荧光灯那样辐射大量的红外线和紫外线（除专用的红外LED灯、紫外LED外），热辐射少，在对于热辐射、紫外辐射敏感的照明场合特别适用。

9）小型化。常见的大功率（1W）白光LED器件尺寸在1mm×1mm左右，单颗灯珠尺寸也在3～5mm见方，容易制成各种形状，体积小、重量轻、易集成、易隐蔽，容易实现景观照明中“见光不见灯”的梦想。

10）全固态器件。LED芯片为半导体器件，完全封装在环氧树脂内，属于全固态发光体，抗振动、耐冲击、不易破碎，坚固耐用。

2.LED照明的主要应用领域

LED光源具有其他照明方式不可替代的优点，因此它在照明及相关拓展领域具有广阔的应用市场与前景，下面主要从成熟市场、成长市场和新兴市场三个方面进行介绍。

（1）成熟市场

1）景观照明：LED功耗低、控制灵活、色彩丰富，因此在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的竞争力，景观及装饰照明是LED率先进入的照明领域之一，在奥运会和世博会等重大LED示范工程的带动下，LED景观及装饰照明逐渐从一线城市推广到中小型城市，实现了规模化应用，2013年市场规模达528亿元。

2）汽车车灯：LED低功耗、长寿命和响应速度快的特点在汽车车灯领域具有优势，目前LED已应用到汽车内部和外部照明，在汽车内部主要应用在仪表盘、背光照明、汽车阅读灯、显示系统等，在外部主要应用在制动灯、尾灯、转向灯、倒车灯、雾灯等（前照灯也已开始应用），2014年LED汽车灯市场规模约134亿元。

3）显示屏显示器件：我国LED显示屏起步较早，市场上出现了一批具有较强实力的生产厂商，已经形成了一个配套齐全的成熟行业，2014年LED显示屏市场规模约302亿元，国内LED显示屏市场的国产率接近100%。

4）LED背光源：随着LED背光技术的逐渐成熟，LED背光源已经成为液晶产品的主流形式，目前，LED在以手机、平板电脑、笔记本电脑等为主的中小尺寸背光源市场和以液晶电视为主的大尺寸背光源市场渗透率均已达100%，使用比例不断扩大，2014年LED背光源市场规模已达到约468亿元。

5）交通信号灯：目前，高亮度LED城市交通信号灯也已广泛应用，我国交通信号及指示灯市场规模达到数十亿元。另外，LED在铁路信号系统中也有广阔的应用前景。

6）太阳能LED照明：太阳能光伏板与LED灯具均为低压直流，新能源与绿色光源可以完美匹配，主要形式为太阳能LED路灯、草坪灯、庭院灯等，市场规模达到数十亿元。

（2）成长市场

1）室内普通白光照明：目前LED已经进入室内普通白光照明领域，特别是在环境要求不间断照明的室内公共照明场所，如加油站、地下停车场、医院、星级酒店、商务会馆、商品展示柜台、高档商用写字楼等商用场所。随着技术的成熟和成本的下降，LED将逐步进入家庭、办公室等通用照明领域，这将成为未来推动LED照明新一轮爆发式增长的主要驱动力，普通白光LED照明有非常大的潜在市场需求。

2）道路照明：LED路灯的优点是省电、方向性强，环保、安全、长寿命，易维护，耐开关，易控制。用LED路灯替代传统路灯，一盏灯每年可节电约1000kW·h，目前珠三角多个城市已经开始换装LED路灯。我国用于城市道路照明的路灯存量约为2850万只，年增量150～200万只，市场潜力巨大。此外，全国隧道总长近5000km，隧道灯市场潜力也很大。

3）智能照明：智能照明不仅能满足工作、学习、生活的基本照度要求和照明品质，还可以根据用户意愿来自行营造光环境，照明系统也可根据环境变化进行自适应调控，并可通过互联网+实现更广的功能拓展，以更大程度地发挥LED照明的高效节能、灵活可控的优势。全球性的市场研究咨询公司MarketsandMarkets 2016年发布的市场研究报告《智能照明市场——全球预测至2022》指出：到2022年，智能照明市场产值将达194.7亿美元，2016～2022年的复合年均增长率将达27.1%。

（3）新兴市场

1）生物照明：利用LED植物灯，根据植物生长需求组合出特定波长的光，不仅能提升植物产量，还能控制对植物生长无效的波长，已经应用于农业温室中的植物栽培；此外，通过选定波长LED对藻类的照明，可以促进藻类的光生物反应，可用于废水处理、氧气再生等；通过特定波长LED照明，还可用于农业中的诱虫杀虫和渔业中的诱鱼捕鱼；利用紫外LED照明，可对水、空气、厨卫用具及医疗器械等进行杀菌消毒。

2）医疗照明：基于特殊波长光线对引起人体某些疾病的组织、细胞、病毒等的影响机理，LED照明可以用于疾病的光动力理疗、病毒灭活、美容保健等。

3）光固化：光固化是指高分子单体、低聚体或聚合体基质在光诱导下的固化过程，主要的固化产品包括油漆涂料、油墨和黏合剂，应用领域很广，如工业印刷、木材和家具油漆、电子器件涂层、汽车部件涂层、3D打印等，紫外LED在很多场合可以取代传统汞灯，实现高效紫外光固化。利用特定波长的可见光也可对某些材料进行光固化，如用小巧的LED灯对牙科复合材料进行光固化。

4）特殊场合照明：LED在航空航天照明、博物馆照明、狭小区域照明等方面有独特优势，很多细分市场有待开拓。例如，LED光源发热量低，安全防火要求容易满足，光谱中不含损坏文物的红外线和紫外线，非常适合博物馆文物展示。

5）可见光通信：它基于可见光实现无线通信，即利用LED发出的肉眼看不到的高频信号来传输信息，可以直接利用LED照明光源，频谱不需要申请，无电磁辐射，保密性好，具有广阔的市场前景。

1.1.3 LED照明快速发展的外在推动力

1.节能减排的战略需求

进入21世纪，能源紧张、环境污染、气候变暖，已经成为全球面临的共同问题，节能减排、绿色环保成为国际共识。电能是能源的主要形式之一，其中照明是主要的耗电大户，占发电总量的比例在发达国家是20%，我国是12%。随着经济发展，照明用电需求还将增加，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。由于LED照明在绿色节能照明领域的突出优势，美、欧、日、韩等国和地区都先后出台了相关的LED照明推进计划，通过国家战略进行技术攻关和产业布局，以在国际竞争中抢占先机。1998年，日本携其率先发明蓝光LED的优势，首先开展“21世纪照明计划”，计划在2006年完成用LED替代50%的传统照明；欧盟2000年启动了“彩虹计划”，通过欧盟补助金来推广白光LED的应用；美国2000年制订了“下一代照明计划”，计划到2010年使55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代，到2025年半导体照明光源的使用将使照明用电减少一半，并形成一个年产值超过500亿美元的半导体照明产业市场。韩国2004年启动了“GaN半导体开发计划”。

发达国家不仅对LED照明“雪中送炭”，还进一步对落后的照明光源进行“釜底抽薪”，为LED照明的发展扫清障碍。2007年开始，各先进国家纷纷出台淘汰白炽灯的计划和时间表，如澳大利亚、加拿大2010年开始逐步禁止使用白炽灯，2012年全面禁止使用白炽灯；欧盟对照明灯具划定最低效率限制，并从2009年起禁止销售100W白炽灯，2012年全面禁止使用白炽灯；美国从2012年起淘汰100W白炽灯，2014年全面禁售所有的白炽灯；日本从2012年起停止制造并销售高耗能白炽灯；韩国于2013年前禁止使用白炽灯。

我国也十分重视LED照明产业的发展，于2003年启动了“国家半导体照明工程”，通过科技专项、“十城万盏”LED应用示范城市等形式推动LED照明技术的研究应用，并通过建立半导体照明工程产业化基地，整体推进LED照明的工程应用。2010年国务院确定重点培育的七大战略性新兴产业，其中节能环保产业主要包含六大类，半导体照明为六类之一。此外，我国也于2011年出台淘汰白炽灯计划，分别于2012年10月1日、2014年10月1日、2016年10月1日起禁止进口和在国内销售100W以上、60W以上、15W以上普通照明用白炽灯。

我国的照明节能潜力巨大。根据中国工程院建立的国家照明系统预测模型，设定我国未来LED照明发展的不同情景，得到LED适度发展情景、LED快速发展情景相对于参考情景的节能效果预测结果：我国2030年的照明节电潜力分别为937亿kW·h、988亿kW·h；2050年节电潜力分别为1172亿kW·h、1658亿kW·h。考虑到LED高速发展的理想情景下，我国在2020年、2030年、2050年照明用电的节电潜力分别是1817亿～2287亿kW·h、1937亿～2611亿kW·h和2070亿～2668亿kW·h，如能全部挖掘这部分潜力，那么未来40年我国照明用电绝对总量可维持不变，基本保持在2010年的消费水平（约3000亿kW·h），甚至还可能低于2005年我国照明用电量总量（约2870亿kW·h）^[1]。

2.产业和市场需求

LED照明的发展是我国照明产业转型升级的迫切需求。我国的照明产业规模巨大，是世界第一大照明电器生产国和出口国，占全球市场份额的18%，是国内许多地区的支柱产业。然而，照明电器的主要产品为白炽灯、荧光灯和HID灯，随着国内外白炽灯淘汰计划的逐步实施及逐步提高灯具能效门槛，传统灯具（特别是白炽灯）的生产、销售、出口量都受到巨大压力，因此很多传统照明电器企业纷纷向LED灯具转型，各级地方政府也对LED技术极为重视，将其视为照明产业结构调整的良好契机，出台了相应的LED产业扶持促进政策，并取得了良好效果。据中国照明电器协会统计，2014年我国照明行业整体销售额达到5200亿元，较2013年增长10.6%，出口额为415.5亿美元，同比增长15.5%；生产方面，白炽灯产品总产量为32.9亿只，同比下降8.1%，荧光灯60.9亿只，同比下降12.4%，高强气体放电灯（HID灯）的总产量为1.51亿只，同比下降10.6%；出口方面，普通照明用白炽灯出口约28亿只，同比下降5.71%，紧凑型荧光灯同比下降7.38%，金属卤化物灯同比大降28.44%，而LED照明产品出口金额同比增长50%。LED已经体现出了对照明产业的支撑作用。

LED照明在我国有巨大的市场需求。随着我国城市化进程的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们生活质量的提高，城市夜景照明发展迅速，为LED照明新技术的应用提供了巨大的市场空间。同时，国家通过一系列的重大工程对LED照明进行了示范应用，2008年北京奥运会通过“奥运五环”“梦幻鸟巢”“多彩水立方”等，展现了LED的独特魅力和巨大潜力；2010年上海世博会为全世界提供了一个LED照明的展示舞台，各场馆大量采用LED照明技术，照明形式涵盖室外景观照明、道路照明、广场照明、室内白光照明等多种形式，显示了LED作为照明主流形式的可能性。这些示范工程的成功应用，增强了社会各界对LED照明技术的认识和接受程度，极大地激发了LED产业界和市场的热情。我国LED照明产业近10年呈现高速发展态势，如图1-1所示，2006年我国LED照明产业整体规模为356亿元，到2016年已达到5216亿元，LED照明产品国内销售数量占照明产品国内总销售数量的比例达到42%。

图1-1 2006～2016年我国LED照明产业规模及增长率（数据来源：国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA））