基于模糊综合评判法评价LED照明灯具的寿命

基于模糊综合评判法评价LED照明灯具的寿命

李澍

广东产品质量监督检验研究院广东广州510330

1、引言

LED凭借其固有的节能、环保、长寿和高效等优点，LED产业已成为国家重点培育发展的战略性新兴产业之一，国家通过系列举措引导和扶持推广使用LED产品，有效的带动了我国LED产业的技术进步，因此，LED及其相关领域的研究在我国倍受关注。

目前，我国LED照明标准体系CQC节能认证要求通过测量3000h、6000h和10000h光衰评估LED灯具的寿命，而美国能源之星的认证至少要求完成6000小时的流明维持寿命测试。漫长的测试周期，虽然能较准确的评价样品的寿命情况，但LED照明技术发展日新月异，许多灯具企业担心等几千小时的寿命测试完成，新研发的产品可能就要退出市场了。因此，亟需一套在短时间内准确预测LED灯具使用寿命的合理评价模型。

LED灯具的寿命预测，不能简单等同于LED光源的寿命预测，通过电流和温度加速寿命试验进行评价，更不能依葫芦画瓢的把LED整灯进行加速试验后预测寿命。LED灯具应看作一个照明系统，内部包含众多相互关联的零部件和子系统，每个不同的部件采用不同的材料，结构和工艺，每个不同的子系统具有不同的功能作用，且失效原理和加速原理千差万别。因此，需要准确评价LED整灯寿命，不但要分别评价各子系统的可靠性，还要科学的评价各子系统的内在关系。

模糊综合评判法应用了模糊关系合成原理，很好的解决了多因素制约、边界模糊不清、难以量化的问题。这一算法已广泛应用于评价复杂系统的可靠性问题。本文是在李德胜基于数学模糊综合评判法建立的LED灯具可靠性评价模型的基础上，利用原有模型的框架，将驱动电源和生产企业的工艺水平纳入到评价模型中，进行改进和完善。

2、模糊综合评价模型的重构

2.1确定因素集

对于因素集的确定，在主要影响因素包括光源、散热系统、使用环境的基础上，增加驱动电源和生产企业工艺水平两个因素，可以提高评价结果的准确性。众所周知，驱动电源是LED灯具的关键所在，它的好坏直接影响LED灯具的寿命。LED生产加工工艺的特殊性，不同的生产厂家甚至同一个生产厂家在同一批产品中所生产的LED的电流、电压特性均有较大的个体差异。以大功率1W白光LED典型规格为例，正常情况下1W白光LED正向电压值为3.0-3.6u之间，为保证LED寿命，一般以流过LED为350mA的电流去驱动，此时，LED两端的正向电压轻微的增加都会导致正向电流明显上升，从而使LED温度剧增，加速了LED光衰，出现缩短了寿命，甚至烧坏LED。同时，生产工艺也是不容忽视的问题。以功率型白光LED封装流程为例，固晶、点胶等环节都会直接到LED的热特性，从而直接影响其寿命。

通过研究分析，将重构的LED寿命评价的因素集分为两个等级：第一级因素调整为LED光源{u1}、散热系统{u2}、驱动电源{u3}、使用环境{u4}，工艺水平{u5}，即u={u1，u2，u3，u4，u5}={LED光源，散热系统，驱动电源，使用环境，工艺水平}。第二级因素分别为：LED光源{u1}的因素集为{u11，u12，u13}={衬底材料，发光原理，封装材料}；散热系统{u2}的因素集为{u21，u22}={散热材料，散热方式}；驱动电源{u3}的因素集为{u31，u32}={电子器件，器件材料}；使用环境{u4}的因素集为{u41，u42，u43}={环境温度，降水条件，风沙环境}；工艺水平{u5}的因素集为{u51，u52，u53}={衬底外延，芯片制作，LED封装}。

2.2确定评判集

在评判集的确定上，笔者采用专家调查法根据专家对灯具寿命影响的严重程度进行等级划分，从而确定评判集，并根据经验对每个评价等级建立相应评价指标，将定性的评语进行定量的表示。根据经验给出评价集为V=（0.3，0.5，0.7，0.9）。

2.3构建评判矩阵

对于同一等级的所有影响因素，进行各要素间的成对比较，邀请行业内专家依据统一比较基准，使用“同等重要”、“相当重要”、“绝对重要”等5种成对比较标准的定性语言描述其中一个因素相比另一个因素对总体评价对象的重要程度。通过列表的方法，建立评判矩阵。评价矩阵定义为：

D=

其中：uij表示第i个因素对第j个因素的相对重要度，重要度取值分为三个等级1、5、9，取值为1表示A对灯具寿命影响和B同等重要，取值5表示A比B明显重要，取值9表示A对B极其重要。

2.4选择评判函数

假设W=（w1，w2，…，wm）∈Im为归一化权向量，（w1，w2，…，wm）∈Im，加权评价性评判函数为：，wi表示第i个因素所占比重。权向量选用层次分析法中的和法计算，对于判断矩阵D=（uij）n×n，则令：

，i=1，2，…，n，以W=（w1，w2，…，wm）T作为权向量计算一阶模糊综合判断矩阵：，其中B1=W1×R1=（b11，b12，b13，b14）

B2=W2×R2=（b21，b22，b23，b24）

B3=W3×R3=（b31，b32，b33，b34）

B4=W4×R4=（b41，b32，b33，b34）

B5=W5×R5=（b51，b52，b53，b54）

计算二阶模糊综合判断为：B=A×R，最终算得模糊评判结果。

3、LED照明灯具寿命评价的实例分析

笔者选取了一款LED路灯进行寿命评价。该灯具LED光源衬底材料为氮化镓，封装材料为环氧树脂，而光源采用荧光粉转化的方式生成白光；灯具的散热系统设计良好，采用热管方式散热；驱动电源所选用的电子器件质量及器件材料均属于较好范围；灯具使用在广州地区城市主干道路两旁，该地区夏季高温、高湿、多雨，而冬季低温、干燥、少雨，冬、春季节风速较大。

为保证评价结果的准确性，邀请广东地区20位业内权威专家，对影响灯具寿命各因素间相对重要度和相关因素的严重度的取值记性评价，最终得到5个一级影响因素和13个二级影响因素的结果。

将评价结果做归一化处理，得出评判矩阵为：

采用层次分析法，各级因素权重定义为：

W=（0.23，0.20，0.24，0.1，0.23）

W1=（0.65，0.1，0.25）

W2=（0.2，0.8）

W3=（0.55，0.45）

W4=（0.65，0.25，0.1）

W5=（0.35，0.2，0.45）

利用权向量归一化结果计算一阶综合模糊判断为：

B1=W1×R1=（0.0375，0.205，0.4125，0.345）

B2=W2×R2=（0.01，0.09，0.32，0.58）

B3=W3×R3=（0.01，0.2775，0.5450，0.0775）

B4=W4×R4=（0.0325，0.115，0.5425，0.31）

B5=W5×R5=（0.06，0.2275，0.52，0.1925）

构造一阶综合判断矩阵为：

计算二阶模糊综合判断为：B=A×R=（0.0302，0.1984，0.469，0.29），选用加权平均型评判函数，算得评判值为：C=B×VT=0.6976。按评价集可知，该灯具可靠性水平接近良好水平。如按目前LED灯具理论寿命1×105h，则评价寿命为6976h。