大功率LED散熱結(jié)構(gòu)研究

張征宇

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

大功率LED散熱結(jié)構(gòu)研究

張征宇

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

目前大功率LED燈具的散熱問題已經(jīng)成為制約LED行業(yè)深入發(fā)展的瓶頸，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)相對簡單、制造加工成本低的散熱器是研究的主要方向。不同的散熱器由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，工作時散熱特點(diǎn)也不盡相同。本文在實(shí)測現(xiàn)有主流LED燈具散熱器并總結(jié)分析散熱效果，進(jìn)而提出傳熱-散熱一體的LED燈具散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，并對LED燈具工作溫度場的分析，驗(yàn)證了傳熱跟散熱一體化設(shè)計的理念。

大功率LED路燈；散熱器；燈具散熱優(yōu)化

0 引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes)照明以其高效、節(jié)能、環(huán)保、應(yīng)用靈活、壽命長、安全性高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，成為白熾燈、熒光燈后的又一新興光源。近年來隨著大功率LED照明產(chǎn)品在日常照明領(lǐng)域的不斷普及，但隨著功率的不斷提高，大功率LED 的散熱問題也日益突出，成為制約其行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。本文首先從大功率 LED 散熱問題入手，對比分析目前市場常見的幾種大功率LED散熱結(jié)構(gòu)的散熱特點(diǎn)，其次提出了大功率LED 燈具散熱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 常見散熱結(jié)構(gòu)

LED燈具輸入功率為100W，采用高密集COB封裝方式，對比如下。

1.1 熱管加鰭片設(shè)計

圖1 光源基板溫度

圖2 散熱器界面溫度

圖3 光源表面溫度

從熱成像圖片中可以看出光源基板的溫度與散熱器界面溫度相差2℃。但是光源表面溫度為74℃ ，光源中的熱量還未及時的導(dǎo)出，在光源中積聚，影響光源的壽命，造成光衰。鰭片加熱管散熱的這種結(jié)構(gòu)需要在燈具內(nèi)部完成安裝，對于燈具的外形尺寸有嚴(yán)格的要求，不易于成型各種結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 均溫板加鰭片散熱

圖4 光源基板溫度

圖5 散熱器界面溫度

圖6 光源表面溫度

從紅外成像儀中可以看出光源表面溫度與散熱器周邊溫度相差30℃ 。光源中的熱量未能及時的擴(kuò)散出來，散熱的均勻性不好。由于外設(shè)散熱鰭片，燈具的整體重量增加，在燈具安裝使用過程存在安全隱患。

1.3 LED路燈散熱器一體化設(shè)計

1.3.1 有限元分析基礎(chǔ)

三維直角坐標(biāo)系中的瞬態(tài)溫度場場變量T（x, y, z, t）滿足：

式中：?T?x,?T?y,?T?z 為x, y, z方向的溫度梯度；λxx,λyy,λzz為熱導(dǎo)率；q0為單位體積的熱生成；ρc是密度與比熱容的乘積；dT dt為溫度隨時間的變化率。

式中：Vx, Vy, Vz為媒介傳導(dǎo)速率。

對于穩(wěn)態(tài)熱分析?T?t=0，則（1）式可簡化為：

由公式（3）、確定的邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果。

1.3.2 散熱模型

圖7 光源基板溫度

圖8 散熱器界面溫度

圖9 光源表面溫度

LED燈具輸入功率為100W，采用高密集COB封裝方式，傳熱與散熱一體化薄板型散熱器件的穩(wěn)態(tài)溫度場如下。

從紅外熱成像儀中可以看出雖光源中心溫度與周邊溫度相差9℃ 。但是光源表面的溫度僅為69℃，熱量基本導(dǎo)出，散熱效果非常好。由于散熱器件的散熱效果比較好無需笨重的外殼來輔助散熱，因此外殼采用PC材質(zhì)，相比與傳統(tǒng)散熱器無安全隱患，散熱效果大大改善。

2 小結(jié)

從以上對比得到采用傳熱與散熱一體化設(shè)計的薄板型散熱器件有明顯的優(yōu)勢。

（1）與傳統(tǒng)壓鑄型鋁沉散熱器和型材鋁散熱器相比，其重量可減輕3-6倍，在降低材料成本的同時便于安裝。

（2）與熱管散熱器相比其重量也降低了1-2倍，在大功率LED 照明器件上其降低重量尤為明顯。

（3）與傳統(tǒng)熱管散熱器相比，其傳熱結(jié)合界面從熱管散熱器的3-4個結(jié)合界面減少到一個，其傳熱熱阻大幅度降低。

（4）其不存在常用熱管的傳熱密度低、低溫凍凝、向下傳熱能力低下等缺陷，其后期維護(hù)優(yōu)勢明顯。

[1]Arik M,Petroski J,Weaver S.Thermal challenges in the futuregeneration solid state lighting applications:Light emittingdiodes[J]. Proc. IEEE Intersociety Conf. Thermal Phenomenaawaii，2002：113-120.

[2]XA Cao,S F LeBoeuf,MP D’Evelyn.Blue and nearultravioletlight -emitting diodes on free -standing GaN substrates [J].Appl.Phys.Lett. 2004, 84（21）: 4313-4315.

[3]MG Cheong, RJ Choi, EK Suh, HJ Lee,et al.Bias effect on theluminescent properties of rectangular and trapezoidal quantum-well structures[J].Appl.Phys.Lett. 2003,82（4）: 625-626.

[4] Fujii T, Gao Y, Sharma R, et al. Increase in the extractionefficiency of GaN -based light -emitting diodes via surfaceroughening[J]. Appl. Phys. Lett，2004, 84（6）：855-857.

[5] Arik M,Weaver S. Chip scale thermal management of high bri-ghtness LED packages[J].Proc.of SPIE，2004，55（3）:214-223.

[6]戴煒鋒,王 珺,李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應(yīng)力分布的分析[J].半導(dǎo)體光電, 2008,29（3）:324-328.

[7]Application Brief AB23.Thermal design considerations for Lu-xeon 5 watt power light source[EB/OL]. 2008.http:// www.phi-lips lumileds.com/pdfs/ab23.pdf.

[8]錢可元,鄭代順,羅 毅.GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析[J].半導(dǎo)體光電.2006，27（3）:236-239.

[9]ANSYSInc.Thermalanalysisguide[EB/OL].2008.http://www. peraglobal.com.cn/ch/vipservice/buy.html.

Research on heat dissipation structure of high power LED

Zhang Zhengyu
(College of JiaXing Vocational Technology,Jiaxing Zhejing,314036)

At present, the problem of heat dissipation of high powerLED lamp has become a bottleneck restricting the further development of the LED industry. The radiator has the advantages of small volume, light weight, simple structure, low manufacturing and processing cost is the main research direction Different structure design of radiator has the different radiating characteristics In this study,we the measured the existing mainstream LED lamp radiator and summarize and analyze the cooling effect. Then put forward the concept of LED lamp radiator structure design of heat radiating body And analysis of the LED operating temperature field, heat transfer and heat integration to verify the design concept

high power LED street lamp; radiator ; Lamp radiating optimization

張征宇（1978-），男，浙江嘉興人，碩士，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

浙江省教育廳資助項目（Y201121558）。