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0431-81702023
LED
大功率LED照明燈散熱裝置研究

摘??要:散熱是制約大功率LED照明燈推廣應用的關鍵技術問題。本文通過對LED照明燈散熱的影響因素及設計要素的分析,研制了4種不同散熱結構的大功率LED照明燈,并且做了溫度測試和有限元數值模擬分析。結果表明,LED結溫受散熱片和基板的連接方式、散熱片和電源的排布以及散熱的總表面積等因素影響。

關鍵詞:大功率LED照明燈;散熱裝置;散熱要素;數值仿真;結溫

LED照明與普通光源相比具有節約電力、壽命長、響應時間短、外形靈活多變等優點。小功率LED照明燈已經在公路隧道、日常生活等多個領域得到了一定的應用。但是由于小功率LED照明燈的亮度相比大功率LED燈仍有較大差距,若要實現國家半導體照明工程的目標,必須大力推廣大功率LED照明。然而,由于大功率LED照明燈輸入功率僅有15%~20%[1]的電能轉化為光輸出,其余則轉換成熱,若這些熱量未能適時排出外界,不但會使燈具的發光效率降低,而且可能導致LED芯片因溫度過高而迅速失效。因此,散熱成為制約大功率LED照明燈推廣應用的關鍵問題之一。LED照明燈的結構不同,其散熱效果相異,研究大功率LED燈的散熱結構是解決散熱性能、提高光效等問題的關鍵。

1??大功率LED照明燈散熱裝置設計要素及散熱原理

解決大功率LED照明燈的散熱問題,實際上就是設計出合理的散熱結構,進而控制LED的結溫。為能有效控制LED結溫,在大功率LED散熱設計方面主要考慮2部分:一是芯片內部熱沉鋁基板的內部熱傳導路徑的散熱能力;二是鋁基板散熱裝置外界環境的外部熱傳導路徑散熱能力。本文主要針對大功率LED的外部熱傳導路徑進行研究。

LED散熱結構主要涉及熱傳導和熱對流。在進行大功率LED分析時,由于器件對溫度的敏感性強,芯片溫度受限(一般低于123??[2]),所以其熱輻射可忽略[3]。因此,大功率LED照明燈散熱的主要方式可分為導熱板及散熱片散熱、自然對流散熱、單向熱管和回路熱管散熱以及外加風扇的強制散熱等。

在導熱板散熱方式中,熱量主要通過熱傳導來傳遞,并遵循傅里葉定律:

q??=-kdTdx

式中,q??為熱流密度(W/m2),k為導熱系數(W/m??K),??-??表示熱量流向溫度降低的方向。

熱對流是指固體表面與它周圍接觸的流體之間由于溫差的存在而引起的熱量交換。熱對流可以分為2,即自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述:

q??=h(TS-TB)

式中,h為對流換熱系數;TS為固體表面的溫度;TB為周圍流體的溫度[4]

導熱板及散熱片散熱方式,即采用3~5mm厚的銅板或鋁板,將芯片熱源的溫度平均分布在板上,然后加裝散熱片來散熱,但是這樣會加大質量,成本也會隨之增加。較大的質量會增加懸掛照明設備的危險性,在惡劣的自然條件下,尤其遇到臺風、地震就很可能會產生意外,因此必須將質量和成本作為2個重要因素考慮到其中。大功率LED照明燈的散熱裝置若安裝有外部散熱片,則應使其合理布局,在考慮到照明燈的使用方式后還應該利用散熱片的靈活多變性來加強其散熱效果,盡量使散熱片溫度分布均勻,以充分發揮其作用。

單向導熱管和回路導熱管散熱方式設計簡單但成本較高。大功率LED照明燈的散熱裝置若安裝有導熱管,要考慮熱管中液體的熱容,針對不同功率的設備要選擇合適的冷凝液。同時還應考慮熱管的排布方式、散熱能力、散熱均勻性能和可靠性能對整個系統的影響[5??6]。

額外的風扇強制散熱會使整個系統質量和尺寸增加,可靠性降低,成本增高。而自然對流散熱方式不會增加質量也無需成本,是比較合適的散熱方式,但是這種方式只適合低功率LED照明燈,滿足不了大功率LED燈的散熱需求。

有時散熱結構不一定由單一方式組成,可以將導熱管散熱、導熱板及散熱片散熱和風力對流散熱等結合起來,以達到更好的散熱效果。

在設計散熱結構的同時還要兼顧散熱材料的選擇。由于大功率LED照明燈的光通量較大,通常所選材料要能耐短波波長、紫外光[7]以及具備一定的力學強度,還應考慮到燈具設計中樹脂透鏡、側壁和燈罩對光有阻礙作用,只有選擇透光率更高的材料和合理的安置角度才能滿足提高光效的需求。

2??大功率LED照明燈散熱裝置試制及分析

基于上述散熱理論及影響因素的研究,吉林大學與吉林省恒光公司共同開發研制了4種結構的大功率LED照明燈散熱裝置,如圖1所示。

4種大功率LED照明燈的總功率均為56W,每個芯片輸入功率為1W,由于輸入的功率僅有15%~20%被有效應用,其余則轉換為熱量使得芯片成為熱源,因此需要在模型上加載生熱載荷。將這4LED照明燈樣品通電40min,實測其PN結及外部散熱裝置溫度(見表1),把測量PN結導出端平均溫度作為加載的恒定溫度,并用ANSYS進行有限元分析。具體方法是:設與空氣接觸的散熱裝置表面承受自然對流載荷,對流換熱系數設為10W/(m2????),環境溫度20??,未設置載荷模型的其他表面均定義為絕熱;定義各種材料屬性,采用PLANE55的四節點單元[8],用自由網格的方法來劃分網格,對散熱裝置熱學模型的剖面進行二維熱穩態分析。經有限元分析的4種照明燈散熱裝置的溫度分布圖如圖2所示,仿真溫度與實測值最大誤差為0.55??。

在這4種散熱裝置中,散熱裝置1為帶導熱管和散熱片的組合散熱裝置,電源固定在基板上,基板上穿插5只導熱管,在導熱管兩側裝有若干散熱片。導熱管內裝有冷凝液體,從芯片熱源發出的熱量經過鋁基板傳入導熱管,再傳遞到散熱片上,由于液體單位熱容相對氣體較大,在換熱過程中如果伴隨有相變傳熱(如水吸收熱量蒸發變成氣體),將有利于高通量熱流密度(單位時間內通過單位面積的熱量)的轉移[9],從而使得流體與固體表面之間的換熱能力增強。這種裝置質量較輕,散熱總表面積較大,如果考慮將散熱片連接熱管的同時和基板直接相連,并將電源與基板分離散熱效果會更好。

散熱裝置2在鋁制外殼上制成刺狀的散熱片,鋁外殼只是線狀和基板接觸,散熱片的散熱表面積和基板的接觸面積都較小,PN結導出端的平均溫度最高,67??。另外,電源直接固定在基板上阻礙了基板的散熱,這也是造成溫度升高的原因之一。

散熱裝置3采用鋁制外殼和散熱管片組合,電源固定在鋁外殼的側面,散熱管片放于基板的另一側,這樣做是為了防止基板處燈源的熱量堆積,但會出現散熱不均問題,外殼處溫度分布不均使伸縮受制約而產生溫差應力,因此鋁制外殼上熱應力問題顯著,最終導致器件可靠性降低。由于散熱器各部分熱膨脹系數不同會產生殘余應力,同樣會使器件可靠性降低,甚至導致大功率LED的失效[10]

裝置4采用大塊鋁制外殼和散熱片,基板后面與圓弧狀散熱片相連,散熱片體積和面積以及和基板的接觸面積都比較大,PN結導出端的平均溫度最低為47??,散熱片遠端溫度僅為40??。從散熱面積角度來看,散熱裝置4的散熱面積最大,散熱效果最好。但是散熱裝置4質量最大,成本相對比較高,在選用此類型散熱裝置時,要考慮質量與成本等因素并在安裝照明燈時增加固定裝置負荷,保證安全。

上述散熱系統中,只有裝置1考慮了導熱管結構,如果在散熱裝置中配備液體散熱箱使其與導熱管相連并構成液體對流循環,再將散熱片制成喇叭形狀,使基板底部與液體箱之間形成通風結構,這樣就能形成基板散熱、集風散熱、液體散熱的三級散熱形式,達到較好的散熱效果。另外,由于電源固定在基板上會妨礙基板的散熱,最好將電源固定在遠離基板的位置,這樣散熱效果會更好。

設計散熱結構是個綜合性問題,在設計過程中不單要考慮散熱,還要考慮成本、質量、安全性等多方面因素。根據上述4種結構的散熱表面積和LEDPN導出端的平均溫度繪制了它們之間的關系柱狀圖(如圖3所示),可以看出,PN結溫度的高低不單與散熱溫度有關,和散熱結構、電源的放置位置等都有關聯。

3??結語

綜上所述,PN結導出端的平均溫度不僅與LED光源PN結導出端使用材料的熱導率有關,還與散熱裝置結構、散熱片與基板的連接方式、散熱片的排布以及散熱的總表面積有關。因此,在考慮設計某一大功率LED散熱結構時應該注意以下幾點:1)大功率LED的散熱結構應采用合適的散熱材料;2)散熱結構采用盡可能大的散熱面積和合理的布局,盡可能加大基板與散熱體接觸面積,電源最好遠離基板;3)盡量使散熱片上溫度分布均勻,避免內部熱應力集中;4)控制散熱裝置質量,盡可能地降低成本。如若采用基板散熱、集風散熱、液體散熱的三級散熱形式,將能達到更好的目的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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