热沉对LED灯具散热性能的影响

冯巧波，朱 瑞，唐国安，张佳杰，张建平，陈 晓

(1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海天逸电器有限公司，上海 201611)

引言

隧道照明的安全可靠性要求特别高，以保障行车安全及通车效率。LED灯具节能护眼，已逐渐用于隧道照明，但其散热性能影响使用寿命和发光效率稳定性的瓶颈问题也日益突出，因此有必要对其散热性能作进一步的研究。刘一兵等[1]从改进LED结构角度来分析了散热问题，中国科技大学的杨光[2]通过分析大功率LED的散热设计流程探讨了大功率LED路灯的散热方案，P.Anithambigaia等[3]对使用双界面的LED灯具进行了热分析研究。

本文以现有LED灯具为对象，设计了适用于隧道灯具散热的圆弧形热沉散热器，通过建立数值模型，利用ANSYS软件对模型进行仿真分析并优化设计，并进行实验验证。通过仿真分析，得出热沉参数对散热性能的影响规律，为隧道灯具散热器设计提供指导。

1 问题描述

在图1所示的LED结构图中，P-N 结在外加电场作用下，将一部分能量转化为光能，同时也产生了大量的热能[4]。目前大功率LED电光转换效率在15%～25%左右，即输入的电能有75%～85%左右都转化成了热能。由于LED芯片的尺寸很小，因此其电流密度很大，产生的大量热量若不能及时散出，导致LED芯片结温迅速上升，从而降低LED的寿命及出光率，甚至引起LED因过热而损坏。灯具使用寿命与结温的关系如图2所示，依照阿雷纽斯法则，结温每降低10℃寿命会延长2倍。同时结温升高，发光量明显降低。

图1 LED结构图Fig.1 Schematic diagram of a LED

图2 结温与光衰及LED寿命的关系Fig.2 Relation between the LED life and junction temperature

2 建模与仿真

2.1 实体建模

采用现有42W的大功率LED灯具作为研究对象，设计圆弧形热沉散热器，研究热沉数量、热沉高度以及热沉厚度等参数对灯具散热性能的影响。主要数据：芯片尺寸为1mm×1mm×0.25mm，透镜为直径12 mm的半球。硅衬底为边长18mm、高0.3mm的正六棱柱，MCPCB为直径20 mm、高2mm的六角形铝质基板，底座接在MCPCB铝基板上。应用Pro-E软件建立几何模型，散热器模型如图3所示，底板厚度为4mm，散热器长度为300mm、总宽度为300mm，热沉顶部为弧形形状，灯具光源由42颗1W的LED灯成7列排列组成。

图3 LED散热器几何模型Fig.3 3D-model of heat sink

2.2 热分析基本方程

运用Navier-Stokes方程在三维结构模型中全面分析电子系统的热辐射、热传导、热对流以及流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量。其遵循的质量、动量、热量方程[5]分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为密度；v为速度矢量；p为压力；cp为定压比热容；t为时间；g为重力；μ为粘滞度；k为热导率；S为应变速度张量；T为温度；β为膨胀率。

根据上述方程、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。

2.3 有限元分析

采用有限体积法计算散热器内部热流分布，其基本思路是：将计算区域划分为网格，并使每个网格节点周围有一个互不重复的控制体积，将待解方程对每个控制体积积分，从而得出一组离散方程。

在仿真分析中，取散热器底部温度为考察对象。在如图4所示的LED灯具散热示意图中，LED产生的热量首先从金属散热块出来，先经过焊料到铝基板，再通过导热胶传导到铝散热器，最后扩散到空气中。灯具总热阻R由三部分组成，包括金属散热块和焊料的热阻R1、铝基板PCB和导热胶的热阻R2、散热器的热阻R3，其关系式如下：

R=R1+R2+R3

(4)

结温的表达式为：

Tj=R×Pd+Ta=(R1+R2)×Pd+Ts

(5)

其中，Pd为耗散的功率，Tj为LED器件PN结的结点温度，Ta为环境温度，Ts为散热器底部温度。LED结构确定后，热阻R1和的热阻R2基本保持不变，根据式(5)可知结温Tj与散热器底板温度Ts的变化趋势一致。因此可以通过分析散热器底板温度的变化趋势来间接研究结温变化规律，而散热器底板温度便于测量，容易进行实验验证。

图4 LED灯具散热示意图Fig.4 Flow chart of cooling process in LED lamps

模型采用ANSYS11.0软件分析[6]。设置单颗LED输入功率为1W，光效率取20%；封装体外部的各组件(包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热；器件与外界的热对流系数为20。工作环境温度为28℃。各种材料的热导率如表1所示。采用纯铝作为散热器材料。由于所设计的散热器热沉为弧形分布，分析中采用热沉平均高度为依据。

表1 材料热导率Table 1 Thermal conductivities of materials

仿真分析中，取散热器底部温度Ts为考察对象。散热器温度场分布如图5所示。

图5 散热器温度场分布等值线图Fig.5 Heat field distribution of the heat sink

3 结果与分析

3.1 仿真结果

在热沉数量为36片、厚度为2mm的情况下，分析热沉高度的变化对散热器散热性能的影响，仿真结果如图6所示。

图6 热沉高度对散热器散热性能的影响Fig.6 Relation between the cooling capability of radiator and the height of heat sink

在热沉平均高度设定为30mm、厚度为2mm的情况下，分析热沉数目的变化对散热器散热性能的影响，仿真结果如图7所示。

图7 热沉数目对散热器散热性能的影响Fig.7 Relation between the cooling capability of radiator and the number of fins

图8 热沉厚度对散热器散热性能的影响Fig.8 Relation between the cooling capability of radiator and the thickness of heat sink

在热沉平均高度定为30mm、热沉数为36片的情况下，分析热沉厚度的变化对散热器散热性能的影响，仿真结果如图8所示。

3.2 实验验证

为了验证仿真结果的准确性，制作了散热器实物模型，其横截面如图9所示，相关参数为：热沉数量36片，厚度2mm，平均高度40mm，搭配如图10所示的42W的LED光源进行试验。测温设备采用希玛AR882型非接触式红外测温仪，选取靠近散热器中部的底板位置作为测量点，纵向连续选取5点。在连续点亮4 h后测得室温下各测量点温度数据，与仿真结果进行比较，如表2所示。

图9 LED灯具散热器横截面Fig.9 Transverse section of radiator on the LED lamps

图10 LED灯具光源Fig.10 Photo of LED lamp

表2列出了灯具底板各点的测量温度与仿真结果的比较，通过比较可以得出，仿真温度与测量温度误差最大为2.3℃，最小为1.2℃，说明本文所建立的LED灯具散热模型与实际情况比较符合，仿真结果准确度较高。误差一定程度上是由于测试设备、测试环境和有限元模型的简化所引起的。

表2 测量温度与仿真温度对比表Table 2 Comparative analysis for the temperature measured and the calculation results

3.3 结果分析

图6显示当热沉高度较低时，随着散热器高度的增加，LED温升显著降低。这是由于增加散热器高度，可增大散热面积，有利于热量的散发；但当热沉平均高度达到40mm时，这一趋势明显减缓，这是由于随着热沉高度增加，散热器底部和热沉形成的空间内底层空气稳定，减弱了气流的扰动，空气的对流能力受到了削弱，从而使散热器换热效果进一步减弱。

从图7中可看出：在热沉从24到60片变化的过程中，随着热沉数的增加，LED温升降低，散热器散热性能增强，这是由于增加热沉数可以增大散热面积，有利于热量的散发，但当热沉数超过一定数量后，这一趋势逐渐减缓。

图8显示：热沉厚度较小时，随着热沉厚度的增加，LED温升降低，散热器散热性能增强，这是由于增加热沉厚度可以增大散热面积，这在散热器

总体积较小的情况下，有利于热量的散发，但当热沉厚度超过一定值后，这一趋势减缓，并且在热沉厚度较大时，随着厚度增大，散热器散热性能减弱，这是因为虽然增加厚度有利于底板和热忱之间的传热，但在散热器宽度尺寸不变的情况下，热沉厚度增加引起热沉总体积增大，这将会减少热沉之间的间隙，从而使参与换热的空气体积减小，降低了换热率，并且间隙减小使得空气难以发生对流，进一步减弱了灯具散热能力。

4 结论

(1)当热沉高度较低时，随着热沉高度的增大，灯具散热性能显著增强，但当热沉平均高度达到40mm后，这一趋势明显减缓。

(2)随着热沉数目的增加，散热面积增大，散热器散热性能增强。

(3)随着热沉厚度增加，热沉总体积发生改变，从而改变参与换热的空气量以及对流速度，对散热器散热能力产生先增后减的影响。

[1] 刘一兵，黄新民，刘国华，等.基于功率型LED散热技术的研究[J]. 照明工程学报，2008，19(1):69-73.

[2] 杨光.道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究[J]. 照明工程学报，2010，21(1):40-47.

[3] Anithambigai P,Dinash K, Mutharasu D, et al. Thermal analysis of power LED employing dual interface method and water flow as a cooling system[J]. Thermochimica Acta, 2011, 523(2):237-244.

[4] 毛兴武，毛涵月，王佳宁，等. LED照明驱动电源与灯具设计[M]. 北京: 人民邮电出版社,2011.

[5] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安:西安交通大学出版社,2003.

[6] 张洪信，管殿柱. 有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2009.