Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén

Átírás

1 From Measurements to Standardized Multi-Domain Compact Models of LEDs Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén Gaál Lajos, Hegedüs János, dr. Poppe András, dr. Farkas Gábor, dr. Rencz Márta BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS

2 Minden mindennel összefügg Disszipált teljesítmény pn átmenet hőmérséklete Nyitófeszültség Nyitóáram Kisugárzott fény Multi-domain karakterizáció: egyszerre mérjük / szimuláljuk a szilárdtest fényforrás elektromos, termikus és fénytani tulajdonságait Cél: a gyakorlati tervezők számára olyan modell alkotása, amellyel az üzemi jellemzők fényáram, spektrális teljesítményeloszlás, hőmérséklet a tervezés során számolhatók (Spice, CFD szimuláció) IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 2

3 projekt Cél: A mérésekből kiindulva jussunk el LED eszközök szabványos multi-domain kompakt modelljéig A várt eredmények: új mérési, modellezési, és szimulációs módszerek/eljárások Ennek érdekében: szabványos módszerek és adatformátumok kidolgozása IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 3

4 workflow Variability information CIE 127:2007 JESD TeraLED View Software CIE 225:2017 e (T J, I F ) and SPD(T J, I F ) characteristics ELDO T3Ster TeraLED JESD 51-1 JESD V F (T J, I F ) characteristics multi-domain model parameter extraction methods model parameter extraction methods JESD T J data chip level Spice-like LED model + parameters Z th (t) curves T3Ster Master Software FloTHERM compact thermal modeling methods LED package DCTM Test Based Simple Compact Modeling Structure Functions for Detailed Model Validation Validated Detailed Models for Compact Thermal Modeling compact thermal modeling methods LED luminaire CAD model IX. LED konferencia Továbblépés luminaire a LED multi-domain DCTM modellezés terén 4

5 Egy célszerű mérési elrendezés T3Ster + TeraLED + Spektroradiométer Egyszerre végezhető termikus, elektromos és optikai karakterizáció DUT LED on cold plate SPECTRORADIO- METER detector THERMAL TEST RADIOMETRIC TEST JEDEC JESD51-51 compliant thermal measurement CIE compliant radiometric measurement IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 5

6 Példa: Egy kék LED (Lumileds 3535L) mért nyitófeszültsége és fluxusa 3.2 V F [V] 250 Φ e [mw] C 50 C 70 C 90 C I F [ma] I F [ma] IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 6

7 Kiindulási alap a chip szintű LED modellhez A fűtőáramot két részre osztjuk: A melegedésért felelős disszipációs áram: A fénygenerációért felelős áram: I I dis rad ( VFpn ) I _ ( VFpn ) I _ [exp( V [exp( V /( n /( n V V )) 0 dis Fpn dis T )) 0 rad Fpn rad T 1] 1] Soros ellenállás figyelembe vétele: Hatása az I-V karakterisztikára Hatása a disszipációra I F = I dis (T J ) + I rad (T J ) IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 7

8 I [-] Relative in Új módszer az I rad meghatározására Előző, egyszerűsített számítási módszer: I rad = e / V Fpn, ahol V Fpn a belső pn átmenet feszültsége A számításhoz szükség van az R s modellparaméterre, amely már egy illesztett paraméter Az új számítási módszer: I rad = e q/ W g, ahol W g a tiltott sáv szélessége, amelyet egy mért spektrumból kapunk Az új módszer előnye, hogy fizikai hátterű, így nincs szükség paraméterillesztésre 1.80E E E E E E E E E-04 W g distribution of a 590 nm LED 0.00E W g [ev] W g-peak = 2,08E+00 ev W g-mean = 2,12E+00 ev IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 8

9 Az új modell kifejlesztésének első lépése Használjuk a meglévő modellt, de: I rad -ot az optikai mérésekből határozzuk meg W g = h ν = h I rad = q Φ e W g c peak A V F R S e P H L J I rad V pn I dis T J I F = I rad + I dis C IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 9 T amb

10 R S meghatározása (optimalizáció) Optimalizáljuk R S értéket úgy, hogy a disszipáló diódára vonatkozó Shockley egyenlet minél jobban illeszkedjen a mért adatokra I dis = I F I rad V F = I F R s + m dis U T ln I dis I 0,dis V pn -re vonatkozó Shockley egyenlet A V F R S e P H L J I rad V pn I dis T J I F = I rad + I dis C IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 10 T amb

11 Javított LED modell Az előző modell nagy áramoknál a fluxust túlbecsüli, nem vesz tekintetbe egyes veszteségeket R R ellenállás beépítésével jobb eredményeket kapunk Optimalizáljuk RR értéket úgy, hogy a radiatív diódára vonatkozó Shockley egyenlet minél jobban illeszkedjen a mért adatokra V dis = I rad R R + m rad U T ln I rad I 0,rad V rad -ra vonatkozó Shockley egyenlet V F A R S e P H L R R V dis J V rad T J I rad I dis I F = I rad + I dis C IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 11 T amb

12 Modell paraméterek (1) Az összes mért hőmérsékletre elvégzett optimalizációs lépések után a modellparaméterek a hőmérséklet függvényében változatos értékeket mutatnak Pl. 3535L kék LED A Shockley egyenlet exponenciális természete miatt az m tényező kis megváltozása is nagy ugrást okoz az I 0 szaturációs áramban IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 12

13 Modell paraméterek (2) m dis és m rad paramétereket rögzítettük egy átlagos értéken a mért tartományban Újra lefutattuk az optimalizációt Így a paraméterek hőmérsékletfüggése modellezhető tendenciákat mutat IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 13

14 Nyitófeszültség és fluxus eredmények egy hőfokra 3.2 V F [V] 250 Φ e [mw] Modell Mért I F [ma] I F [ma] IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 14

15 Spice modell Electro Half sine generator (simplified) U U U U Opto I={I(R_rad)*V(Wg/q)} SINE(0 100m 1000k) Quantum I={I(R_s)*V(V_F) I(R_rad)*V(Wg/q)} Thermal IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 15

16 Szimulált tranziens, fluxus és átmenet hőfoka Bekapcsolás T_th P_opt IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 16

17 Szimulált tranziens, fluxus és átmenet hőfoka Stabilizálódás T_th IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 17

18 Köszönetnyilvánítás A projekt az Európai Unió H2020-as keretprogramja, ECSEL Közös Kezdeményezése és a Nemzeti Kutatási és Innovációs Alap társfinanszírozásával valósul meg a H2020 ECSEL RIA sz. és a NEMZ_ sz. támogatási szerződések keretén belül. IX. LED konferencia Továbblépés a LED multi-domain modellezés terén 18