大功率LED散热技术研究

王 飞

（上海铁路经济开发有限公司 上海 200000）

大功率LED散热技术研究

王 飞

（上海铁路经济开发有限公司 上海 200000）

近年来，铁路站场大功率LED照明灯具，具有节能环保、寿命长和发光速度快等特点被广泛使用。但是大功率LED光源中80%以上的的电能其实是转化成热量。而仅靠芯片封装设计不足以使LED的热量都发散出去，所以对大功率LED灯散热器的研究具有非常重要的意义。本文通过理论设计和实验，将大功率LED在环境温度为22℃条件下，将LED的结温从80℃降至50℃以下。

大功率LED；照明系统；散热技术；封装散热

引言

LED现在主要应用于大型仪器仪表、汽车前后灯光、电子通讯和自动化控制系统等领域。发光效率和发光强度高的大功率 LED已经逐步被应用于公路、铁路和机场的交通信号灯系统，LED露天大屏幕和家里的彩色电视的显示器等上面。 上海局从2009年开始试验分析，2011年开始试用，2012年～2016年逐渐推广应用，截止2016年底，上海局已经累计改造了400 W的大功率灯具约3000盏，总投资约一千多万。铁路站场大功率照明灯具的改造给上海局节能降耗方面的工作带来了非常大的经济效益和社会效益。

LED是靠电子在不同的能级间跃迁而发光，同时LED发射出的光中不含热红外线，所以发光产生的热量不能散射出去，所以LED是一种冷光源。对于大功率LED而言，器件温度的上升会引起LED内电子电路等机能的变化和衰减。主要体现在以下三个方面：（1）大功率LED的发出光量度下降，发出的光的能效降低；当下大功率LED发光的效率只能达到20%下，剩余80%以上转换成了热能。如果大量的热量不能实时有效的发散出去，那么就会严重影响元器件的寿命，同时发光的效率也同步降低。（2）大功率LED灯整体的可靠性和稳定性下降；当热量不能及时散出时，就会导致芯片温度升高，引起元器件热应力的非均匀分布，当温度超过元器件的使用温度时，元器件的故障率会呈现指数级上升，元器件的稳定性也将快速下降。（3）大功率LED灯的寿命缩短；热量不能散开，会导致焊料熔化，加速芯片的故障上升，寿命因此缩短。

大功率LED散热存在的问题，主要通过以下方法解决：一是通过LED内部芯片自带的封装形式和方法进行散热,二是通过在大功率LED外面连接可导热的散热器等方式来散热。目前,为了解决大功率LED的散热这一技术难点,在散热器的设计结构、原料使用和加工工艺等方面对散热器的热设计进行不断地优化和改善。散热器的散热方式有以下三种：

1 热传导

物体内的分子、原子、电子和其他粒子的布朗热运动而形成的热能传递被称为热传导。比如，两个有温差的物体接触，热量会从温度高的物体传递到温度低的物体，或者一个物体内部从高温到低温度的热量传递变化，都是热传导现象。热传导的数学表达式为:

Φ—热流量；

ρ—导热系数；

A—与热流方向垂直的截面面积

若两个表面的温度分别为t1和t2，壁的厚度为δ，则由傅里叶定律可推导出：

由上式可得：

导热系数是物质的固有属性，与物体的物理状态、化学成分等因素有关。一般来说，金属物质比非金属物质导热性高。

2 热对流

热对流是指流动的流体与其相作用的固体外表所形成的热量转移过程。自然对流是指冷热和密度有差别的流体或者流体中有温差所引起的热量流动；强迫对流则是指由于在外部力量的诱导下而使流体开始流动变化。按流动性质可分为层流和紊流。我们一般根据Re（雷诺数）的大小，来判断流体是层流还是紊流。

图1 层流

图2 紊流

由牛顿冷却公式可得：

式中：α—对流换热表面传热系数；

A—换热面积；

Δt—流体与壁面的温差；

上式可改写成：

由此可得，

3 热辐射

热的辐射是指物质以电磁波的形式向外发出具有一定能量的微粒子的过程。当物体温度高于绝对零度时会不断向外热辐射热量。同时，物体会吸收周围物体产生的热辐射，物体吸收的辐射能量又转变为自身的热能，这个过程被称为辐射换热。在相同温度的物体中用辐射力E来衡量物体辐射本领的大小。根据史蒂芬波尔兹曼定律：

式中：σ—辐射常数；

T—热力学温度；

大功率LED光源的散热器主要是通过热量辐射和对流换热的方式。本文设计了一种散热器系统结构紧凑，体积小，成本低，该散热系统包括取热单元和散热单元两部分，可以实现不同功率的散热器，可以使本系统发适用性更强，同时可实现远距离热量传递。散热器的散热单元由使用铝为材料制成的扇形叶片加装在双路铜管上组成。

上面使用额定功率为100 W由多芯片模组封装的大功率LED，该LED各部分热阻的计算可理解为100个1 W的LED芯片被封装在半径为25 mm的模块中。

则大功率LED的热量密度为

实验测得大功率LED在环境温度为22℃使用实际条件下，加装散热器的条件下，结点温度为80℃，通过热阻计算得到的结点温度页为50℃，实验结果达到了用LED散热器实现有效降低大功率LED内发热产生的温度的目的。使大功率LED光源和信号灯在铁路的大规模应用提供了技术基础和必备条件。

结语

上海局地处中国东部地区，该地区季风性气候显著。夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，铁路站场又有高压接触网及电压波动比较大、静电干扰等问题。LED散热技术的改进，提高了大功率LED灯发光的效率。避免了LED灯在铁路站场应用时产生眩光、蓝光等问题，减少了对作业人员的危害也。LED散热技术的改进，对提高大功率LED灯的可靠性和寿命起到非常重要的作用。相信随着LED灯各项技术不断完善提高，会不断地推广应用，将为铁路节约能源、保护环境提供一条新思路。

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王飞（1976.9-），汉，安徽蚌埠，工程师，本科，研究方向:环保节能方面。