UVLED光源元件恒流电源散热性能分析

姜海峰

（深圳市嘉力电气技术有限公司，广东深圳 518132）

0 引言

随着科学技术的飞速发展，人们对光源元件的发光强度提出了越来越高的要求。与传统光源相比，UVLED光源元件的研发，摒弃了传统光源元件的体积大、使用寿命短、响应时间慢、成本高、不环保等缺点，成为第四代光源元件[1]。由于其小巧、方便携带、节能等优势，逐渐在各个领域被使用。现如今，随着国家倡导节能减排的号召，UVLED光源元件应用方向越来越多，如指示灯、彩屏、显示屏、普通照明设备等均采用UVLED光源元件，减少了人们的电力支出。但是，UVLED光源元件使用频繁以后，其散热问题逐渐成为研究者头疼的方向，由于其体积小，内部构造相应减小，导致温度聚集，散热效果差，应用于恒流电源后，散热问题日益加重，在电源持续性工作的过程中，散热问题更加困难，因此，UVLED光源元件恒流电源热事故频发[2]。如果不解决散热问题，UVLED光源元件的发展将会止步于此。传统UVLED光源元件恒流电源散热性能分析效果较差，分析出的温差大小与实际温差大小相差较多，使电源不能得到及时地散热，引起其内部高温，减少使用寿命。基于此，本文设计了UVLED光源元件恒流电源散热性能分析方法，及时分析出电源的内部热量，减少电源热事故的发生次数，为电力产业提供参考依据[3]。

1 构建恒流电源散热性能分析模型

随着UVLED光源元件向小尺寸、高输出方向发展，如何降低UVLED光源元件芯片与散热片之间的热阻、提高热导率、降低大功率UVLED光源元件的热阻和温度成为至关重要的研究课题[3]。所以本文对UVLED光源元件进行深入研究。为了研究UVLED光源元件恒流电源的散热性能，本文对UVLED光源元件恒流电源的散热通道作出分析，分析各部分占总散热量的比例。以常规UVLED光源元件恒流电源散热结构为例，其散热装置有：散热基板、电极引脚、外壳，以及透镜，本文据此构建的分析模型如图1所示。由图可知，恒流电源散热性能分析模型中，分为3个部分，最上方存在电源封装透镜，其散热方式为向外扩散；中间层为恒流电源芯片，其散热方式为向两边扩散；下层为电源散热器，其散热方式为向下扩散。此项散热过程属于散热较快的途径，此外，降低UVLED光源元件芯片本身的热阻、增加键合材料的热导性能、降低电源基板的热阻等途径，仅能提高散热效果[4]。

图1 恒流电源散热性能分析模型

本文将UVLED光源元件的主要散热量占总散热量的比例用图示的形式展现出来，如图2所示。由图可知，恒流电源各个部位散热比例中，散热基板占73%，电源电极引脚占19%，外壳占6%，透镜占2%[5]。散热基板散热性能占总散热比例的2/3左右，因此，恒流电源中的大部分热量，是通过散热基板传递到散热器的，所以对散热基板的散热性能分析尤为重要。

图2 电源各个部位散热比例

通过散热性能分析模型的构建，本文认为，解决UVLED光源元件恒流电源的散热问题，从UVLED光源元件散热通道入手是关键[6]。电源散热的主要渠道是基板散热，从PN结——外延层——封装基板——散热器——外部环境。其散热流程如图3所示，在本文设计的模型中，在光源元件的散热性能方面，仅考虑主要散热通道，也就是图中的PN结——外延层——封装基板——散热器——外部环境[7]。

图3 UVLED光源元件恒流电源散热通道

UVLED光源元件的核心部件是P与N两种半导体组成的，P与N半导体之间有一个过渡层，也就是PN结，当PN结中的空穴与电子达到平衡时，UVLED光源元件即会将光转化为电，供电源发电。PN结能量转换公式如下：

式中：Eg为转化的电能；hp为普朗克参数；γ为光子频率。

由于PN结良好的导热性，电源的热阻在模型中可以忽略不计，两个固体界面之间的接触热也可以忽略不计。本文考虑UVLED光源元件的光电转化率中，有80%的电能可以转化为热能，因此在模型中对散热通道加入铜箔制线，铜箔极薄，可以充分导热，并且热阻较小，可以减小光源元件的热量堆积。就构建的性能分析模型来看，UVLED光源元件中光电转换率越低，热效应越明显[8]。所以，当光源元件正常工作时，其产生的热能在PN结处被收集起来，也就是结温现象。本文认为，影响电源散热性能分析的主要因素有两个：一是内量子效率，内量子效率接近90%，说明内量子效率不是UVLED光源元件散热性能的主要影响因素；二是外量子效率，外量子效率只有30%左右，大部分转化为热能，是影响光源元件散热的主要因素。如果其芯片产生的热量不能及时散发出去，电源的温度会迅速升高，对散热性能影响非常大。

2 获取模型UVLED光源元件热阻参数

散热性能一直是阻碍UVLED光源元件发展的重大技术问题，也是制约其发展的最重要难题。随着其高亮度技术的研发，电源散热性能分析更加难以分析。就UV⁃LED光源元件而言，由于研发的人力物力增加，逐渐失去了最开始的环保理念，不采用主动散热方式，只注重光源元件的经济发展，导致恒力电源的温度过高，热事故问题日益突出，不仅减少了使用寿命，还会增加热事故的次数[9]。因此，本文通过构建模型的方式，对元件的散热性能进行分析，并通过此模型，获取UVLED光源元件的热阻参数。本文根据电源内部的加热机理，要想得到恒流电源的升温性能，除了电源等效总电阻外，还必须求得电源电动势的温度变化系数，进而才能获取热阻参数。恒流电源的总电阻和温度变化系数，会随着电源的荷电状态、温度、放电电流等各种影响因素而变化[10]。由于其内部结构比较复杂，无论是卷绕式还是承压式，电源都是由活性材料的正极、负极，以及浸入式电解液中的隔膜组成。以上原因均会给电源的热阻参数的计算带来困难。本文在此设计中，简化电源的内部结构，平等对待UVLED光源元件散热性能，在计算之前，对电源的热阻参数进行合理地假设，将其保持在相同的密度和比热容内，此时，电源中各元件具有相同的热导率，计算UVLED光源元件的热阻参数。公式如下：

式中：ρ为电源热阻密度；ρi为电源内部各种材料热阻密度；Vi为电源不同材料的热阻体积。

由此获取的热阻参数如表1所示。由表可知，各个电源元件的热阻参数均不相同，而UVLED光源元件恒流电源中，无论是圆柱形还是棱柱形，其内部材料的排列较为相似，其热阻参数是各向异性的，而对于UV⁃LED光源元件恒流电源来讲，轴向和径向的热阻参数差异很大。

表1 电源元件的热阻参数

热阻参数的不同散热性能也就不同，不同参数下的散热性能如表2所示。由表可知，不同的热阻参数下，散热性能也不同，工艺较简单的风冷参数，散热性能较差；散热性能较好的热管热阻参数，工艺较困难，因此，本文折中选取的热阻参数为液冷热阻参数，应用于本文设计的模型中，可以提高其分析散热性能的效果[11]。

表2 不同参数下的散热性能

3 恒流电源散热性能网格划分

通过上文中热阻参数的选取，本文将对构建的模型进行网格划分。在网格划分中，UVLED光源元件恒流电源的芯片温度最高，对温度比较敏感，对电源的散热性能影响最大，因此需要对芯片进行更大密度的分区。经过网格划分，考虑到UVLED光源照明设备主要用于户外，因此本文在散热片和铝基板的外表面增加了对流系数，当芯片在不同负载下供电时，20%的功率转化为光源，80%的功率转化为热量，因此，电源芯片的散热性能分析是重中之重。通过以上散热性能分析方法的参数设计，可以把所有的UVLED光源元件串联起来，使各元件的电流相同，保证电源内各元件的亮度一致[12]。此外，在网格划分的过程中，电源电压必须保证与散热器的电压相同，使UVLED的散热性能与散热器完美匹配。由于本文分析方法是在恒流电源的基础上设计的，因此，电源的电流始终恒定，可以保证各元件的亮度相同。从散热性能分析的整体设计上可以看出，散热性能的网格划分较为困难，但是，本文在设计性能分析方法之初构建了模型，在此模型中，网格划分可以相对便捷，而网格划分同样可以为本文设计提供完整的建模功能，使生成的网格达到更高的质量。因此，二者相辅相成，共同提高UVLED光源元件恒流电源散热性能分析效果。

4 仿真实验与结果分析

为了探究本文设计的散热性能分析方法的分析效果，本文对恒流电源散热性能模型进行仿真，该模型分为3层，也就是3个模组，由于计算资源有限，本文选取其中一组模组进行分析，过程及结果如下。

4.1 实验准备

本文采取对称的方式，选取一组模组的UVLED光源元件恒流电源进行分析，可以方便观察电源热量分布情况，同时减少分析时间和单元数。UVLED光源元件是本文研究重点，温度较高，因此网格划分较密集，按照使用过程中对边界条件的设定，本文默认为绝缘状态。UVLED光源元件一般应用于户外，因此，本文将空气对流系数设定为20.2 W/m2·K，UVLED光源元件恒流电源的性能参数如表3所示。由表可知，UVLED光源元件恒流电源的参数包括元件有缘层、元件衬底、绝缘层、基板铝层、基板铜层、散热基板、散热翅片等几部分，材料分别为GaN、蓝宝石、胶膜、Al、Cu、Al、Al等。

表3 UVLED光源元件恒流电源的性能参数

此散热长度在元件表层长度较小，散热能力较弱，元件内部参数的散热长度较长，散热能力较强。基于此参数，对光源元件施加不同功率下的最大温度值与最小温度值，拟合直线如图4所示。其中，UVLED光源元件的参数与参数之间有着明显的热耦合现象，因此温度分布受绝缘层的影响较小，在功率为20 W时，最高温与最低温仅差20℃散热性能较好。

图4 最大、最小温度值拟合直线

4.2 结果分析

为了验证本文设计的性能分析方法，与传统性能分析方法的分析效果，对两种方法进行对比，结果如表4所示。由表可知，在功率相同的条件下，传统散热性能分析方法分析的温差，与实际温差相差±0.100℃左右，分析效果较差，不能有效应对UVLED光源元件的热效应，导致电源散热不及时，故障频发；而本文设计散热性能分析方法分析的温差，与实际温差相差±0.001℃左右，分析效果较好，可以及时应对UVLED光源元件的热效应，电源散热及时，故障次数随之减少，符合本文研究目的。

表4 实验结果

5 结束语

UVLED光源元件恒流电源是目前最具发展前景的电源，其具有体积小、使用时间长、绿色环保等优点，更是涉及光学、电学、热学等多个领域，逐渐成为应用最为广泛的电源。近年来，光源元件电源散热问题成为其发展的阻碍，散热性能分析效果差，导致电源热事故频发。基于此，本文对UVLED光源元件恒流电源散热性能分析方法进行设计，通过对模型的创建，设计一个仿真实验，得出本文设计的分析方法分析效果更佳的结论，为UVLED光源元件的发展提供理论依据。