陣列式大功率LED燈熱分析*

廖紹凱，梅甫良，林廣平，魏壇霖

（1.嘉興學院建筑工程學院，浙江嘉興 314001；2.創(chuàng)正防爆電器有限公司，浙江嘉興 314000）

0 引言

隨著石油、化工、電力、醫(yī)藥、鐵路、船舶等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，其照明電力需求越來越大，大功率LED照明節(jié)能技術在這些產(chǎn)業(yè)中的推廣應用將產(chǎn)生不可估量的社會效益和經(jīng)濟效益[1]。由于上述行業(yè)照明場所往往處在易燃燒、易爆炸的特殊條件下，對使用這些場所的照明燈具和設備的熱量控制和防爆性能提出了特殊要求[2]。

LED是一種將電能轉化為可見光的半導體元件，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色發(fā)光的原理，采用電場發(fā)光，是一種冷光源。其半導體器件PN結在45℃狀態(tài)工作時，理論壽命可以達到100 000小時。但是，由于目前LED芯片發(fā)展所處的技術階段，只能使10%～30%的電能轉化光能，其余的能量將以熱能的方式存在于芯片上，而LED光效率與工作溫度成反比，溫度每升高10℃，將導致光衰5%～8%，并且壽命減半的嚴重后果[3]。由于LED產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導和熱交換的方式散發(fā)到空氣中去，因此合理優(yōu)化設計LED燈具的散熱裝置，改善燈具的內(nèi)部流場，有效降低LED燈具表面及芯片的溫度，提高其穩(wěn)定性和使用壽命，成為眾多學者研究的課題。蘇達等研究了封裝技術對大功率LED燈具散熱性能的影響[4]。余彬海等對LED燈具的熱阻性能進行了研究，并討論了其對散熱效果的影響[5]。劉紅等研究了集成式大功率LED燈具的散熱器結構設計[6]。張心標等討論了散熱翅片厚度、高度、間距、數(shù)目等對LED燈具散熱效果的影響[7-9]。閻軍等對影響LED燈具散熱性能的結構幾何因素進行了流場分析，并進行了參數(shù)優(yōu)化設計[10-11]。本文作者前期基于ANSYS有限元仿真軟件，建立了陣列式大功率防爆LED燈模型，通過改變燈體材料、增減散熱翅片、改變換熱系數(shù)等研究了其對燈體散熱的影響，得到了相關優(yōu)化參數(shù)。

本文在前期有限元仿真分析的基礎上，進一步探討了燈具的散熱結構、燈體材料、荷載和邊界條件，完善了陣列式大功率防爆LED散熱結構數(shù)值分析模型，計算了在室內(nèi)密閉環(huán)境下，燈具的溫度場、溫度梯度以及熱流密度，得到了芯片和燈體表面的溫度；然后按照數(shù)值分析模型參數(shù)，進行了樣品試制，并將樣品送往國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行溫度試驗；最后對仿真結果和溫度試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

1 LED散熱結構數(shù)值仿真

1.1 燈體結構

本文所采用的燈體的外觀由燈殼和燈蓋組成，內(nèi)部布置了吸熱盤、鋁基板以及60顆1 W的標準LED芯片，并在燈殼和吸熱盤上分別布置了各種樣式的散熱翅片，增大與空氣熱交換的面積，以提高燈具散熱效果。具體模型如圖1所示，其中圖1（c）、圖1（d）為內(nèi)部透視圖，以顯示內(nèi)部芯片、吸熱盤的結構模型。

圖1 LED燈具數(shù)值模型

模型的主要幾何參數(shù)：燈體總高160 mm；燈蓋外徑272 mm，內(nèi)徑247 mm，高21 mm；透明件外徑247 mm，厚度12 mm，距底端6 mm；燈殼下部大圓柱外徑267 mm，內(nèi)徑247 mm，高63 mm；燈殼上部為圓錐體，其下端內(nèi)徑218 mm，上端內(nèi)徑208 mm，厚度5 mm；燈殼頂部散熱片厚度5 mm，對稱分布6條，間距10 mm，燈殼下部大圓柱環(huán)向分布散熱片厚度5 mm，高度60 mm，對稱分布30條，翅片間夾角分別為8°、25°、27°和73°；內(nèi)部鋁基板厚度2 mm，外徑200 mm；吸熱盤總高30 mm，下部與鋁基板結合，環(huán)向與燈殼結合，上部挖空25 mm放置散熱片，高度8 mm，其中大圓環(huán)內(nèi)環(huán)向均勻30條散熱片，厚度2 mm，小圓環(huán)內(nèi)環(huán)向均勻分布10條散熱片，厚度3.5 mm，將散熱片隔離的圓弧內(nèi)徑分別為10 mm，72 mm，厚度均為2 mm。

本模型中省略了LED封裝的塑料部分、透鏡、襯底、細導線等對燈體散熱的影響。事實上，有文獻表明，改變不同封裝填充材料對熱導溫度的降低影響不大，即使封裝材料的熱導率達到7 W/m·K，相比使用熱導率僅為0.25 W/m·K的材料，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度也只下降2.271℃；其次熱沉與鋁基板，鋁基板與吸熱盤通過硅膠導熱，元件結合十分緊密，一般硅膠結合厚度在微米量級，為便于分析，可以忽略硅膠的影響。同時在建立有限元模型時，為便于網(wǎng)格劃分，忽略了對結果影響不大的圓角、孔洞以及部分局部特征。

1.2 燈體材料

通過前期的仿真分析，分別討論了燈體采用不銹鋼、鑄鐵、鋁合金、銅、銀、鉆石等材料時，其芯片和燈體表面溫度變化情況。不銹鋼和鑄鐵由于其導熱系數(shù)相對不高，其芯片最高溫度超過了芯片的熱設計參考閥值95℃；而銅、銀、鉆石雖滿足，但其成本太高，加工也不容易；綜合考慮本模型采用燈體材料為鋁合金ADC12，導熱系數(shù)為237 W/m·K，燈蓋為鋼化玻璃，導熱系數(shù)取為300 W/m·K。

1.3 芯片發(fā)熱量

眾所周知，隨著LED的輸入功率的增加，燈具的亮度也會成比例增強，但由于LED的效率遠遠低于100%，只能將少數(shù)電能轉化為光能，而剩下的約70%的能量轉換為熱能，造成芯片結溫不斷升高。為此本文采用陣列式排布60顆1 W的標準LED芯片在鋁基板上，排列方式為在直徑為40 mm、85 mm、130 mm和175 mm圓周上分別均勻布置了6、12、18和24顆芯片。在增大燈具功率的同時，使芯片均勻散熱，降低芯片結溫。本模型中芯片的發(fā)熱量取輸入功率的85%，即為0.85 W，標稱尺寸為1mm×1mm×1mm，發(fā)熱率為0.85 W/mm3，同時為了模擬芯片均勻發(fā)熱，芯片的導熱系數(shù)取為一個較大值。

1.4 環(huán)境參數(shù)

燈具的傳熱路徑為芯片、鋁基板、吸熱盤、燈體，然后燈體與周圍空氣發(fā)生熱交換，將熱量散發(fā)出去，從而降低燈具的結溫。然而燈體與空氣的熱交換的計算很難給出比較精確的計算結果，而且使用時也容易出錯，根據(jù)以往文獻，通常情況下建議使用一些經(jīng)驗的數(shù)據(jù)。空氣對流系數(shù)的經(jīng)驗公式如下

內(nèi)表面：h=2.5+4.2v （1）外表面：h=(2.5～6.0)+4.2v （2）其中：h表示空氣對流系數(shù)；v表示空氣流速。

文獻表明一塊0.2 m2水平放置的平板，在自然對流情況下空氣的熱交換系數(shù)約為5 W/m2·k，在空氣流速為3 m/s的強迫對流下與空氣的熱交換系數(shù)約為15 W/m2·k。考慮到試驗時燈具置于試驗箱中，處于室內(nèi)封閉環(huán)境，因此燈具的外部熱交換系數(shù)取為5 W/m2·k，燈具內(nèi)部空腔的熱交換系數(shù)取為2.5 W/m2·k，燈具的環(huán)境溫度與試驗時試驗箱中的環(huán)境溫度一致，取為50℃。

1.5 仿真分析

本文采用ANSYS軟件進行了仿真計算，按照前文建立了陣列式防爆LED燈有限元模型，定義芯片、燈體和鋼化玻璃蓋的材料參數(shù)，選用solid90單元并對模型進行網(wǎng)格劃分，最后施加芯片的發(fā)熱率和環(huán)境邊界條件，進行穩(wěn)態(tài)溫度場計算，得到了陣列式防爆LED燈仿真結果，包括燈具的溫度場、溫度梯度及熱流密度，如圖2、圖3、圖4所示，其中圖2（c）、圖2（d）、圖3和圖4均為內(nèi)部透視圖。

圖2 燈具溫度分布

圖3 燈具溫度梯度

圖4 燈具熱流密度

從圖2可以看出，燈具的最高溫度出現(xiàn)在芯片處，大小為76.8℃，最低溫度出現(xiàn)在燈殼的頂部，大小為69.7℃，溫差為7.1℃，通過觀察整體的溫度云圖，燈具溫度場基本均勻，可見芯片的熱量經(jīng)過有效的疏導，傳入到空氣中，而不致芯片結溫超過95℃，保證了燈具的使用壽命。從定性的因素來看，主要是燈體材料選擇了熱導性較好的鋁合金，使得燈體的溫度分布均勻，相對溫差不大，其次散熱翅片較合理的布置，包括燈殼頂部和燈殼下部環(huán)向的翅片，以及內(nèi)部吸熱盤的散熱翅片，增大了燈體與空氣的熱交換面積，使得燈體的溫度能傳入到空氣中，降低了燈體及芯片的絕對溫度。另外從圖2中可以看出，燈殼外部的最高溫度在與吸熱盤較接近處，大小為72.1℃，外殼頂部的溫度為69.7℃，鋼化玻璃蓋的溫度為70.6℃。

2 溫度試驗

為了驗證有限元仿真計算的合理性，以及進一步了解防爆LED燈的散熱機理，對上述防爆LED燈具進行了溫度試驗。利用現(xiàn)代加工技術對上述防爆LED燈仿真模型進行了近似1:1比例的樣品制作，如圖5所示。該防爆燈由鑄鋁合金的隔爆型主體和增安型接線盒組成，二者之間通過導線連接并進行澆封處理，主體外殼、燈蓋、吸熱盤、鋁基板和芯片的布置按有限元模型尺寸進行設計，在外殼上部增加了接線盒、內(nèi)部空腔安置了接線端子、其余局部增加了小孔洞和圓弧倒角。

圖5 防爆LED燈

樣品的溫度試驗在國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行，該試驗為整機試驗，樣品置于50℃的試驗箱中，連續(xù)運行至溫度穩(wěn)定，最終測得了燈具外殼表面有代表性的溫度值，并對試驗結果與仿真結果的溫度值進行比較，如表1所示。

表1 試驗測試溫度與仿真分析結果對比

考慮到測試設備、測試環(huán)境、有限元模型的簡化（接線盒、孔洞、倒角、硅膠的簡化）和接觸熱阻的忽略（吸熱盤與燈殼、燈蓋與燈殼之間的接觸熱阻）等的影響，試驗和仿真模擬的結果存在一定的誤差。從定性來考慮，接觸熱阻的增加、硅膠的簡化會導致實測值的溫差更不均勻；接線盒和孔洞等散熱面積的增加會導致實測表面溫度更低；不同材料的熱交換系數(shù)難以精確確定也會帶來一定誤差；從溫度試驗和仿真模擬結果的對比也體現(xiàn)了這些定性分析的趨勢。從定量來考慮，幾處溫度對比的最大誤差為3.6℃，誤差率為5.4%；最小誤差為0.6℃，誤差率為0.8%，誤差相對不大，仿真模擬基本能準確的反應產(chǎn)品的溫度分布，從而更進一步幫助企業(yè)對本產(chǎn)品進行散熱結構改進、優(yōu)化，降低芯片溫度，滿足客戶需求，提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

3 結論

本文借助ANSYS仿真軟件對陣列式大功率防爆LED燈進行了仿真模擬。考慮到該燈具將應用于石油、化工場所，對燈具的散熱提出了更高的要求，本文從燈具結構散熱設計、燈體材料的選擇、芯片發(fā)熱量以及環(huán)境參數(shù)的合理定義進行了較為細致的探討和分析，以利于仿真結果更接近實際，同時更有效地降低芯片結溫。然后通過仿真計算，得到了燈具的溫度分布、溫度梯度和熱流密度。最后，將該燈具進行了樣品制作，并進行整機溫度試驗，測得了燈具外殼表面有代表性的溫度值，以驗證仿真模擬的結果。從兩者的對比來看，仿真計算結果能較準確地反映樣品的溫度分布情況，也表明該防爆燈具具有較好的散熱效果，能滿足石油、化工場所的散熱要求。

［1］盧有祥.LED的發(fā)展與應用［J］.光電技術，2008，49（1）：14-21.

［2］郭衛(wèi)民，盧彬.采用防爆措施減少煤礦電氣事故［J］.電氣防爆，2009（1）：39-41.

［3］ Narendran N，Gu Y M.Life of LED-based white light sources［J］.IEEE J Disp Tech 2005（1）：167-171.

［4］蘇達，王德苗.大功率LED散熱封裝技術研究［J］.照明工程學報，2007，18（2）：69-71.

［5］余彬海，王浩.結溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展［J］.發(fā)光學報，2005，26（6）：761-766.

［6］劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式大功率LED路燈散熱器的結構設計［J］.電子器件，2010，33（4）：481-484.

［7］張心標，嚴高師，匡云帆，等.發(fā)光二極管燈具翅片式散熱結構［J］.強激光與粒子束，2012，24（7）：1638-1640.

［8］饒連江.基于ANSYS的LED燈具熱分析［J］.照明工程學報，2010，21（1）：53-58.

［9］孫首群，盧華陽，翰琳，等.新型驅(qū)動器散熱器散熱性能仿真與優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學報，2008，20（11）：2721-2824.

［10］閻軍，孫興盛.半導體照明燈具典型散熱結構分析與優(yōu)化［J］.固體力學學報，2010，31：285-293.

［11］王樂，吳珂，俞益波，等.自然對流條件下LED陣列散熱器改進研究［J］.光電子·激光，2011，22（3）：338-342.