UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析

姜海峰

（深圳市嘉力電氣技術有限公司，廣東深圳 518132）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，人們對光源元件的發光強度提出了越來越高的要求。與傳統光源相比，UVLED光源元件的研發，摒棄了傳統光源元件的體積大、使用壽命短、響應時間慢、成本高、不環保等缺點，成為第四代光源元件[1]。由于其小巧、方便攜帶、節能等優勢，逐漸在各個領域被使用。現如今，隨著國家倡導節能減排的號召，UVLED光源元件應用方向越來越多，如指示燈、彩屏、顯示屏、普通照明設備等均采用UVLED光源元件，減少了人們的電力支出。但是，UVLED光源元件使用頻繁以后，其散熱問題逐漸成為研究者頭疼的方向，由于其體積小，內部構造相應減小，導致溫度聚集，散熱效果差，應用于恒流電源后，散熱問題日益加重，在電源持續性工作的過程中，散熱問題更加困難，因此，UVLED光源元件恒流電源熱事故頻發[2]。如果不解決散熱問題，UVLED光源元件的發展將會止步于此。傳統UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析效果較差，分析出的溫差大小與實際溫差大小相差較多，使電源不能得到及時地散熱，引起其內部高溫，減少使用壽命。基于此，本文設計了UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析方法，及時分析出電源的內部熱量，減少電源熱事故的發生次數，為電力產業提供參考依據[3]。

1 構建恒流電源散熱性能分析模型

隨著UVLED光源元件向小尺寸、高輸出方向發展，如何降低UVLED光源元件芯片與散熱片之間的熱阻、提高熱導率、降低大功率UVLED光源元件的熱阻和溫度成為至關重要的研究課題[3]。所以本文對UVLED光源元件進行深入研究。為了研究UVLED光源元件恒流電源的散熱性能，本文對UVLED光源元件恒流電源的散熱通道作出分析，分析各部分占總散熱量的比例。以常規UVLED光源元件恒流電源散熱結構為例，其散熱裝置有：散熱基板、電極引腳、外殼，以及透鏡，本文據此構建的分析模型如圖1所示。由圖可知，恒流電源散熱性能分析模型中，分為3個部分，最上方存在電源封裝透鏡，其散熱方式為向外擴散；中間層為恒流電源芯片，其散熱方式為向兩邊擴散；下層為電源散熱器，其散熱方式為向下擴散。此項散熱過程屬于散熱較快的途徑，此外，降低UVLED光源元件芯片本身的熱阻、增加鍵合材料的熱導性能、降低電源基板的熱阻等途徑，僅能提高散熱效果[4]。

圖1 恒流電源散熱性能分析模型

本文將UVLED光源元件的主要散熱量占總散熱量的比例用圖示的形式展現出來，如圖2所示。由圖可知，恒流電源各個部位散熱比例中，散熱基板占73%，電源電極引腳占19%，外殼占6%，透鏡占2%[5]。散熱基板散熱性能占總散熱比例的2/3左右，因此，恒流電源中的大部分熱量，是通過散熱基板傳遞到散熱器的，所以對散熱基板的散熱性能分析尤為重要。

圖2 電源各個部位散熱比例

通過散熱性能分析模型的構建，本文認為，解決UVLED光源元件恒流電源的散熱問題，從UVLED光源元件散熱通道入手是關鍵[6]。電源散熱的主要渠道是基板散熱，從PN結——外延層——封裝基板——散熱器——外部環境。其散熱流程如圖3所示，在本文設計的模型中，在光源元件的散熱性能方面，僅考慮主要散熱通道，也就是圖中的PN結——外延層——封裝基板——散熱器——外部環境[7]。

圖3 UVLED光源元件恒流電源散熱通道

UVLED光源元件的核心部件是P與N兩種半導體組成的，P與N半導體之間有一個過渡層，也就是PN結，當PN結中的空穴與電子達到平衡時，UVLED光源元件即會將光轉化為電，供電源發電。PN結能量轉換公式如下：

式中：Eg為轉化的電能；hp為普朗克參數；γ為光子頻率。

由于PN結良好的導熱性，電源的熱阻在模型中可以忽略不計，兩個固體界面之間的接觸熱也可以忽略不計。本文考慮UVLED光源元件的光電轉化率中，有80%的電能可以轉化為熱能，因此在模型中對散熱通道加入銅箔制線，銅箔極薄，可以充分導熱，并且熱阻較小，可以減小光源元件的熱量堆積。就構建的性能分析模型來看，UVLED光源元件中光電轉換率越低，熱效應越明顯[8]。所以，當光源元件正常工作時，其產生的熱能在PN結處被收集起來，也就是結溫現象。本文認為，影響電源散熱性能分析的主要因素有兩個：一是內量子效率，內量子效率接近90%，說明內量子效率不是UVLED光源元件散熱性能的主要影響因素；二是外量子效率，外量子效率只有30%左右，大部分轉化為熱能，是影響光源元件散熱的主要因素。如果其芯片產生的熱量不能及時散發出去，電源的溫度會迅速升高，對散熱性能影響非常大。

2 獲取模型UVLED光源元件熱阻參數

散熱性能一直是阻礙UVLED光源元件發展的重大技術問題，也是制約其發展的最重要難題。隨著其高亮度技術的研發，電源散熱性能分析更加難以分析。就UV?LED光源元件而言，由于研發的人力物力增加，逐漸失去了最開始的環保理念，不采用主動散熱方式，只注重光源元件的經濟發展，導致恒力電源的溫度過高，熱事故問題日益突出，不僅減少了使用壽命，還會增加熱事故的次數[9]。因此，本文通過構建模型的方式，對元件的散熱性能進行分析，并通過此模型，獲取UVLED光源元件的熱阻參數。本文根據電源內部的加熱機理，要想得到恒流電源的升溫性能，除了電源等效總電阻外，還必須求得電源電動勢的溫度變化系數，進而才能獲取熱阻參數。恒流電源的總電阻和溫度變化系數，會隨著電源的荷電狀態、溫度、放電電流等各種影響因素而變化[10]。由于其內部結構比較復雜，無論是卷繞式還是承壓式，電源都是由活性材料的正極、負極，以及浸入式電解液中的隔膜組成。以上原因均會給電源的熱阻參數的計算帶來困難。本文在此設計中，簡化電源的內部結構，平等對待UVLED光源元件散熱性能，在計算之前，對電源的熱阻參數進行合理地假設，將其保持在相同的密度和比熱容內，此時，電源中各元件具有相同的熱導率，計算UVLED光源元件的熱阻參數。公式如下：

式中：ρ為電源熱阻密度；ρi為電源內部各種材料熱阻密度；Vi為電源不同材料的熱阻體積。

由此獲取的熱阻參數如表1所示。由表可知，各個電源元件的熱阻參數均不相同，而UVLED光源元件恒流電源中，無論是圓柱形還是棱柱形，其內部材料的排列較為相似，其熱阻參數是各向異性的，而對于UV?LED光源元件恒流電源來講，軸向和徑向的熱阻參數差異很大。

表1 電源元件的熱阻參數

熱阻參數的不同散熱性能也就不同，不同參數下的散熱性能如表2所示。由表可知，不同的熱阻參數下，散熱性能也不同，工藝較簡單的風冷參數，散熱性能較差；散熱性能較好的熱管熱阻參數，工藝較困難，因此，本文折中選取的熱阻參數為液冷熱阻參數，應用于本文設計的模型中，可以提高其分析散熱性能的效果[11]。

表2 不同參數下的散熱性能

3 恒流電源散熱性能網格劃分

通過上文中熱阻參數的選取，本文將對構建的模型進行網格劃分。在網格劃分中，UVLED光源元件恒流電源的芯片溫度最高，對溫度比較敏感，對電源的散熱性能影響最大，因此需要對芯片進行更大密度的分區。經過網格劃分，考慮到UVLED光源照明設備主要用于戶外，因此本文在散熱片和鋁基板的外表面增加了對流系數，當芯片在不同負載下供電時，20%的功率轉化為光源，80%的功率轉化為熱量，因此，電源芯片的散熱性能分析是重中之重。通過以上散熱性能分析方法的參數設計，可以把所有的UVLED光源元件串聯起來，使各元件的電流相同，保證電源內各元件的亮度一致[12]。此外，在網格劃分的過程中，電源電壓必須保證與散熱器的電壓相同，使UVLED的散熱性能與散熱器完美匹配。由于本文分析方法是在恒流電源的基礎上設計的，因此，電源的電流始終恒定，可以保證各元件的亮度相同。從散熱性能分析的整體設計上可以看出，散熱性能的網格劃分較為困難，但是，本文在設計性能分析方法之初構建了模型，在此模型中，網格劃分可以相對便捷，而網格劃分同樣可以為本文設計提供完整的建模功能，使生成的網格達到更高的質量。因此，二者相輔相成，共同提高UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析效果。

4 仿真實驗與結果分析

為了探究本文設計的散熱性能分析方法的分析效果，本文對恒流電源散熱性能模型進行仿真，該模型分為3層，也就是3個模組，由于計算資源有限，本文選取其中一組模組進行分析，過程及結果如下。

4.1 實驗準備

本文采取對稱的方式，選取一組模組的UVLED光源元件恒流電源進行分析，可以方便觀察電源熱量分布情況，同時減少分析時間和單元數。UVLED光源元件是本文研究重點，溫度較高，因此網格劃分較密集，按照使用過程中對邊界條件的設定，本文默認為絕緣狀態。UVLED光源元件一般應用于戶外，因此，本文將空氣對流系數設定為20.2 W/m2·K，UVLED光源元件恒流電源的性能參數如表3所示。由表可知，UVLED光源元件恒流電源的參數包括元件有緣層、元件襯底、絕緣層、基板鋁層、基板銅層、散熱基板、散熱翅片等幾部分，材料分別為GaN、藍寶石、膠膜、Al、Cu、Al、Al等。

表3 UVLED光源元件恒流電源的性能參數

此散熱長度在元件表層長度較小，散熱能力較弱，元件內部參數的散熱長度較長，散熱能力較強。基于此參數，對光源元件施加不同功率下的最大溫度值與最小溫度值，擬合直線如圖4所示。其中，UVLED光源元件的參數與參數之間有著明顯的熱耦合現象，因此溫度分布受絕緣層的影響較小，在功率為20 W時，最高溫與最低溫僅差20℃散熱性能較好。

圖4 最大、最小溫度值擬合直線

4.2 結果分析

為了驗證本文設計的性能分析方法，與傳統性能分析方法的分析效果，對兩種方法進行對比，結果如表4所示。由表可知，在功率相同的條件下，傳統散熱性能分析方法分析的溫差，與實際溫差相差±0.100℃左右，分析效果較差，不能有效應對UVLED光源元件的熱效應，導致電源散熱不及時，故障頻發；而本文設計散熱性能分析方法分析的溫差，與實際溫差相差±0.001℃左右，分析效果較好，可以及時應對UVLED光源元件的熱效應，電源散熱及時，故障次數隨之減少，符合本文研究目的。

表4 實驗結果

5 結束語

UVLED光源元件恒流電源是目前最具發展前景的電源，其具有體積小、使用時間長、綠色環保等優點，更是涉及光學、電學、熱學等多個領域，逐漸成為應用最為廣泛的電源。近年來，光源元件電源散熱問題成為其發展的阻礙，散熱性能分析效果差，導致電源熱事故頻發。基于此，本文對UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析方法進行設計，通過對模型的創建，設計一個仿真實驗，得出本文設計的分析方法分析效果更佳的結論，為UVLED光源元件的發展提供理論依據。