PhD text AK

234 Pages·2010·3.2 MB·English

Modelling and evaluation of high-power
light-emitting diodes for general lighting

Arno KEPPENS

Jury: Dissertation presented in partial
Prof. dr. ir. Paul Van Houtte, president fulfilment of the requirements for
(MTM, K.U.Leuven) the degree of Doctor in
Prof. dr. ir. Geert Deconinck, promotor Engineering.
(ESAT, K.U.Leuven)
Prof. dr. Peter Hanselaer, promotor
(Light & Lighting Lab, KaHo St.-Lieven)
Prof. dr. ir. Martine Baelmans, assessor
(MECH, K.U.Leuven)
Prof. dr. ir. Roel Baets, assessor
(INTEC, UGent)
Prof. dr. ir. Ronnie Belmans
(ESAT, K.U.Leuven)
Prof. dr. ir. Patrick Rombauts
(ETEC, VUB)
Dr. Rudy Geens
(Havells-Sylvania)

September, 2010
© 2010 Katholieke Universiteit Leuven, Arenberg Doctoral School of Science,
Engineering & Technology – Faculty of Engineering, ESAT/ELECTA, Kasteelpark
Arenberg 10, B-3001 Leuven, Belgium.

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd
en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotokopie, microfilm,
elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke
toestemming van de uitgever.

All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form by
print, photo print, microfilm, electronic or any other means without written
permission from the publisher.

ISBN 978-94-6018-256-3
D/2010/7515/9

Cover image: Cree LED package on printed circuit board, Cree Inc.

EVOLUTION OF HAVING AN IDEA
Preface

This work is the result of a Ph.D. thesis at the Light & Lighting Laboratory (Gent,
Belgium), affiliated with the ELECTA research group at K.U.Leuven (Belgium).
The thesis has the intention to narrow the comprehension gap between diode
manufacturers and luminaire designers in two ways. First, designers of general
lighting products are provided with models that allow estimating diode performance
in practical lighting applications. Next to that, measurement results that have been
used for model construction are utilized for an extended evaluation of the present
LED technology status as well. Related recommendations for best practice are
additionally presented.

Scientific research of any kind is impossible without decent funding. First and
foremost, I would therefore like to thank the five Belgian lighting manufacturers and
their representatives that have made this work possible. These companies are – in
alphabetical order – EREA, Havells-Sylvania, Massive (Network Philips Consumer
Luminaires), R-Tech (Schréder group), and Toplight (now renamed LUNOO). The
representatives attended four-monthly meetings that provided me with crucial
knowledge of the present LED technology and market status. The first-hand research
output was presented to them in return.

My very special thanks go to the thesis promotors. Prof. Geert Deconinck was the
final responsible of this work, while Prof. Peter Hanselaer almost daily guided me
through the difficulties I met during the past four years. Both trusted upon my
efforts and encouraged me in taking specific research paths. By doing this, they
really managed to introduce me into the academic research, which still enormously
pleases me. I could additionally rely on the professional knowledge of assessors
Prof. Martine Baelmans (K.U.Leuven) and Prof. Roel Baets (UGent). They also
contributed to the examination commission, whose members I have to thank for their
evaluation vocation and role in optimizing the contents of this book.
It would be unfair not to mention all past and present colleagues from the Light
& Lighting Laboratory. Bart, Catherine, Filip, Frederic, Frederik, Guy, Jan, Jan,
Jonas, Kevin, Sam, Sandra, Stefaan, Steven, Sven, Toon, Wim, and Wouter have
contributed in their own way to this work or – maybe even much more important –
the friendly atmosphere on the work site. Nevertheless, it is appropriate to peculiarly
mention Wim De Geest and Mario Wyns, who have provided me with custom-made
hardware and software, respectively. Although contacts have been much less
frequent with the administration staff of the K.U.Leuven Engineering Faculty and
Arenberg Doctoral School, I would like to thank those people as well for their very
personal assistance.
i
Four master thesis students have taken the opportunity to contribute to the
research described herein. I thank – in order of appearance – David De Smeyter,
Joeri Van Rentergem, Pieter Lindeboom, and Steven Denijs for their sincere
enthusiasm and persisting work efforts. For the same reason I would especially like
to thank visiting scholars Huanting Chen (China) and Paula Catalina Acuña
Roncancio (Colombia). I hope I have been able to give them a valuable research
experience in return.
Great thanks go to Yuqin Zong and Yoshi Ohno of the National Institute of
Standards and Technology (Gaithersburg, MD, USA). Through FWO funding, they
have given me the chance to work during one month as a guest researcher at one of
the most reputable LED lighting technology laboratories worldwide. Further
internationalisation has been made possible thanks to Jesús Maria Quintero Quintero
and Fernando Augusto Herrera Leon, who have invited me as a guest lecturer to the
National University of Colombia (Bogotá, Colombia).

The role of my parents in the realization of this work and the preceding educational
path I have followed cannot be overestimated. They have never ceased to encourage
me while making choices for life and they have always supported me in all possible
ways to obtain the goals I pursued.
Lots of thanks are also due to my close friends who were able to offer me plenty
more than qualitative relaxation whenever appropriate. I am very lucky to say that
mentioning all of them would unfortunately result in too long a list to include here.
If I just bring up the refreshing sports activities, exciting parties, relaxing evening
drinks, frank laughs, and unforgettable journeys we have shared, they most probably
know who I have in mind.
Liesbeth, keeping the most important for the end, I tremendously have to thank
you for everything you have meant to me the past years. Although having both a
scientific background we are able to relativate love, I am convinced that we have
found a high local optimum of mutual happiness. Sometimes, a simple expression of
your interest or an encouraging word was the most effective working stimulus I
could get.

Arno Keppens
Gent, 2010

ii
Brief summary

Due to the complexity and current implementation obstacles of high-power light-
emitting diodes (LEDs), lighting companies are generally short of experience with
these light sources and depend on the often misleading information of diode
manufacturers. The work at hand has the intention to narrow this technological
comprehension gap in two ways. First, integration of high-power diodes in general
lighting implies providing product designers with models that allow performing
maximum LED characterization from a minimum number of measurements and
estimating diode performance in practical lighting applications. User-relevant
characteristics as electrical input power, radiant flux, spectrum, and colour pattern
are modelled. For the scientific community, the construction of such semi-empirical
LED models, based on both physics theories and experimental data, is the most
important research contribution. Determination of LED characteristics through
simulations immediately makes model validation possible. Secondly, measurement
results that have been used for model construction can be utilized for an extended
evaluation of the present LED technology status as well, including binning,
efficiency, and diode quality. The academic research approach as applied in this
work is however different from its practical use. Related recommendations for best
practice are therefore provided.

iii
Korte samenvatting

Omwille van de complexiteit en huidige implementatieproblemen van hoogver-
mogen light-emitting diodes (LED’s) hebben verlichtingsbedrijven typisch weinig
ervaring met deze nieuwe lichtbronnen. Hierdoor zijn zij afhankelijk van de dikwijls
misleidende informatie van diodeproducenten. Dit doctoraatsonderzoek heeft als
doel deze technologische begripskloof op twee manieren te reduceren. Enerzijds
impliceert de integratie van hoogvermogen diodes in algemene verlichting het
aanbieden van modellen die maximale LED-karakterisatie aan de hand van een
minimum aantal metingen en bovendien het inschatten van LED-prestaties in
verlichtingstoepassingen mogelijk maken. Gebruikersrelevante eigenschappen als
ingangsvermogen, stralingsstroom, spectrum en kleurpatroon worden gemodelleerd.
Deze constructie van semi-empirische modellen, die zowel op theorie als
experimentele data zijn gebaseerd, is de belangrijkste onderzoeksbijdrage voor de
academische wereld. Simulatie van LED-karakteristieken achteraf maakt validatie
van de modellen mogelijk. Anderzijds kunnen de meetresultaten die voor het
modelleren werden gebruikt ook voor een uitgebreide evaluatie van de huidige LED-
technologie worden toegepast. Deze evaluatie behandelt aspecten van binning,
rendement en diodekwaliteit. De academische onderzoeksbenadering verschilt
echter van zijn toepassing in de praktijk. Daarom worden ook aanbevelingen voor
best practice verstrekt.

iv
Samenvatting

De voorbije jaren hebben light-emitting diodes – beter bekend als “LED’s” – zowel
voor Jan met de pet als in de onderzoekswereld enorm aan populariteit gewonnen.
Omwille van de complexiteit en huidige implementatieproblemen van hoog-
vermogen LED’s hebben verlichtingsbedrijven echter weinig ervaring met deze
nieuwe lichtbronnen. Hierdoor zijn zij afhankelijk van de informatie van diode-
producenten, die dikwijls eerder misleidend is. Doel van het hier beschreven
onderzoek is deze technologische begripskloof tussen LED- en armatuurproducenten
op twee manieren te reduceren.
In de eerste plaats worden modellen opgesteld die maximale LED-karakterisatie
aan de hand van een minimum aantal metingen en het inschatten van LED-prestaties
in verlichtingstoepassingen mogelijk maken. Door vergelijking met andere model-
en simulatietechnieken werd de gray-box-benadering gekozen tot beste optie voor
dit werk. De constructie van semi-empirische modellen, die zowel op theorie als
experimentele data zijn gebaseerd, is meteen de belangrijkste onderzoeksbijdrage
voor de academische wereld. Simulatie van LED-karakteristieken achteraf maakt
onmiddellijke validatie van de modellen mogelijk.
Meetresultaten die voor het modelleren werden gebruikt kunnen daarnaast ook
voor een uitgebreide evaluatie van de huidige LED-technologie worden toegepast.
Het integreren van hoogvermogen LED’s in algemene verlichting kan dus
beschouwd worden als het eindproduct van meting, modellering, simulatie en
validatie, in deze specifieke volgorde. Deze academische onderzoeksbenadering kan
echter verschillen van zijn toepassing in de praktijk. Daarom worden ook
aanbevelingen voor best practice verstrekt.

In combinatie met commerciële vermogensbronnen, meetapparatuur en een oven
werden twee integrerende sferen and twee goniofotometers gebruikt voor alle
experimenten. Eén van de sferen heeft een diameter van 50 cm en werd speciaal
voor dit werk ontworpen, gebouwd en gekarakteriseerd. Het typische hemisferische
stralingspatroon van LED’s werd daarbij benut om de nauwkeurigheid van de
metingen te verhogen. Recentelijk in de literatuur voorgestelde technieken zoals een
externe referentiebron en spectrale detectie werden bovendien gecombineerd met
een specifieke poortgeometrie en een geminimaliseerde oppervlakte van de baffle,
zodat een zeer uniforme sfeerrespons werd verkregen. De directionele respons van
de detector werd gebruikt om deze sfeerrespons te verifiëren. Stralingsstromen zijn
in zeer goede overeenstemming met waarden verkregen met een goniofotometer.

Stroom-spanning-karakteristieken van tien commerciële single-die hoogvermogen
LED’s werden opgemeten bij zes verschillende temperaturen tussen 295 en 400 K.
Voor LED’s gebaseerd op InGaN halfgeleiderlegeringen konden duidelijk drie
v
stroomgebieden onderscheiden worden. Het intermediaire stroomgebied werd als
gebruikelijk gemodelleerd met de experimentele Shockley-vergelijking. De
idealiteitsfactor bleek daarbij weinig afhankelijk van de junctietemperatuur.
Aangezien stroom-spanning-karakteristieken niet louter door een diffusie- of
recombinatiestroom kunnen verklaard worden, werd de idealiteitsfactor ook
expliciet in de uitdrukking van de saturatiestroom geïntroduceerd. Daarnaast werd
ook de temperatuursafhankelijkheid van de verboden energiezone in rekening
gebracht. Uit dit model kan het lineaire gedrag van de voorwaartse spanning in
functie van junctietemperatuur voorspeld worden, maar slechts voor een gelimiteerd
stroombereik. Metingen bevestigen de theorie met fittingcoëfficiënten hoger dan
0.99 voor alle geteste LED-samples. Bijkomende stroom-spanning-karakteristieken
van tien multi-die LED’s bij verschillende temperaturen lieten toe het voorwaartse
spanningsmodel te verifiëren voor een veralgemeende junctietemperatuur. Daarbij
konden de idealiteitsfactoren en interne serieweerstanden gerelateerd worden aan
diegene van de individuele diodes.
Voor zowel single-die als multi-die LED’s werd het oorspronkelijke spannings-
model uitgebreid met de temperatuursafhankelijkheid van de interne serieweerstand.
Meetresultaten tonen aan dat de weerstand een negatieve exponentiële
afhankelijkheid van de junctietemperatuur vertoont, maar deze wordt in praktijk
dikwijls door een lineair gedrag benaderd. Bij nominale stuurstromen gaat ongeveer
10 tot 35 % van het ingangsvermogen ten gevolge van de interne serieweerstand aan
warmte verloren. Dat maakt deze weerstand de tweede grootste reden voor
opwarming van de diodejunctie.

Gedeeltelijk gebaseerd op het spanning-temperatuur model werd uit de thermische
weerstandsdefinitie voor LED’s een uitdrukking voor de junctietemperatuur in
functie van de stuurstroom opgesteld. De variatie van het elektrische ingangs-
vermogen en de stralingsflux met stroom en junctietemperatuur werd experimenteel
bepaald voor negen commerciële LED’s. Zowel voor de flux als het
ingangsvermogen werd een kwadratische afhankelijkheid van de stroom en een
lineair verband met de temperatuur gevonden. Het combineren van deze
afhankelijkheden leidt tot simpele uitdrukkingen voor het elektrische en
radiometrische vermogen en hun verschil in functie van stroom en temperatuur. Mits
kennis van de thermische weerstand kunnen deze modellen gebruikt worden om de
junctietemperatuur te berekenen uit de stuurstroom in praktische LED-toepassingen.
In- en uitgangsvermogens kunnen dan ook meteen voor elke stroominstelling
bepaald worden. Deze methode werd gevalideerd door gemeten resultaten met
gesimuleerde data te vergelijken. De maximale afwijkingen tussen beide
benaderingen bleken niet groter dan enkele procenten.

De spectrale stralingsstroom van zeven commerciële hoogvermogen LED’s
afkomstig van twee producenten werd gemeten met de zelfontworpen integrerende
sfeer bij verschillende junctietemperaturen tussen 290 en 340 K. Met frequentie of
vi