大功率LED陣列散熱結構熱分析

第I1卷第5期江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 11 No 52012年10月Journal of Jiangnan University( Natural Science Edition)Oct.2012大功率LED陣列散熱結構熱分析楊占海,姜云鵬,何躍娟’,蘇宙平,張冬冬,李汨,夏海強(江南大學(xué)理學(xué)院,江蘇無(wú)錫214】22)摘要:在自然對流冷卻狀態(tài)下,不同的散熱結構對大功率LED陣列散熱性能有顯著(zhù)影響。采用有限元分析法,對不同散熱模型進(jìn)行了分析并得到工作穩定時(shí)的熱分析圖;對比直片形、弧形、弧釘形散熱結構的散熱效果,逐步得出弧釘形散熱結構散熱效果最好,使得空腔以及芯片處溫度均在合適的范圍內,燈具的使用壽命達到近40000h。另外,模擬得出在普通散熱設計中,燈具適合的功率約為13.75W。通過(guò)有眼元法仿真模擬得出較為合理的結果,有效地減少了實(shí)驗損耗。關(guān)鍵詞:大功率LED陣列;有限元法;散熱結構;熱分析中圖分類(lèi)號:TM923.34;TN305.94;0472.8文獻標識碼:A文章編號:1671-7147(2012)05-0548-04Thermal Analysis of High-Power LED Arrays Heat Sink StructureYANG Zhan-hai, JIANG Yun-peng, HE Yue-juan, SU Zhou-pingZHANG Dong-dong, LI Mi, XIA Hai-qiangSchool of Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)Abstract: In the state of natural convection cooling, different heat sink structures have a significant effect on thethermal performance the high- power LED array. Using the finite element method, different heat sink structures areanalyzed and the stable temperature distribution is obtained. By comparing straight, arc, and arc nail -shaped heatsink cooling effect, we find out that the nail -shaped heat sink structure has the best cooling effect and it can keep thetemperature of the cavity and the chip in an appropriate range and the life time of the luminaire is nearly 40000 hoursIn addition, because the straight-shaped heat sink has been used widely, we get the approximate maximum power 1s13.75 w in this heat sink structure. Reasonable results are obtained by finite element simulation, and we can save theexperimental material at the same time, and the result has some certain guiding significance for the heat sink structureof high-power LED lightingKey words: high- power LED array, finite element method, heat sink structure, thermal analysisLED( Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管,與大功率LED面臨著(zhù)一個(gè)散熱問(wèn)題,現有的LED輸白熾燈和熒光燈相比,憑借其體積小、全固態(tài)、長(cháng)壽人的電能70%~85%轉化成了熱量,而且IED命、環(huán)保、省電等一系列優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在汽車(chē)照明、裝芯片很小,如果散熱不良,會(huì )使芯片溫度升高,引起飾照明、手機閃光燈、大中尺寸顯示屏光源模塊得熱應力分布不均、芯片發(fā)光效率降低、熒光粉激射到廣泛應用,被稱(chēng)為第4代照明光源或綠色光源,已效率下降,進(jìn)而導致LED芯片快速劣化、器件壽經(jīng)實(shí)現了全彩化和高亮度化,并且產(chǎn)生了白光命縮短6,所以L(fǎng)ED封裝及其燈具散熱結構的設計LED,帶來(lái)了人類(lèi)照明史上的又一次跨躍2。然而是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。收稿日期:2012-07-18;修訂日期:2012-09-25作者簡(jiǎn)介:楊占海(1989),男,河北唐山人,應用物理專(zhuān)業(yè)本科生。*通信作者:何躍娟(1971—),女,江蘇宜興人,理學(xué)博士,副教授。主要從事光學(xué)工程研究。Email:yuejuanhe@163.com第5期楊占海等:大功率IED陣列散熱結構熱分析549對于大功率LED燈具而言,考慮到電源的耐熱燈具上共有9顆LED規則排布,如圖1(b)所問(wèn)題,基本所有大功率LED都是外掛電源(即電源示,假設所有單顆LED之間各種性能以及尺寸等完與燈具分離開(kāi)),控制電源溫度以延長(cháng)使用壽命。如全相同,且模型具有對稱(chēng)性,圖1(a)為模型一半的果將電源與照明部分封裝成一個(gè)整體,用于替換傳立體圖燈具圓柱形散熱結構,燈具體后部為空腔,統照明燈具,有著(zhù)很好的實(shí)際應用價(jià)值,于是解決空腔深度40mm,內徑145mm,而散熱片內側半徑散熱問(wèn)題就顯得更為重要。實(shí)際中,解決大功率15mm,外側半徑25mm,若將驅動(dòng)電源放于空腔IED散熱問(wèn)題主要有實(shí)驗方法或者是計算機仿真內,而為保證電源有較長(cháng)的使用壽命,必須保證罕等。采用實(shí)驗的方法,耗費了大量的人力和物力,成腔處的溫度在一定范圍內。此處模擬時(shí)并未將電源本較高,而若釆用仿真模擬的方法來(lái)測試散熱結加入其中,只是分析對比了不同形狀的散熱結構的構,則可以大大節省資源,提高效率。有限元方法是散熱效果LED的芯片是封裝在一個(gè)銅基底上,其計算機熱分析的有效方法,能夠處理復雜的幾何模內部結構較為復雜,因而將其簡(jiǎn)化為一個(gè)小圓柱型,可利用圖形技術(shù)顯示結果,直觀(guān)地看出溫度分體,底面半徑1mm,高度0.4mm由于IED芯片極布,因此本文中釆用有限元法對散熱設計進(jìn)行熱其微小,為了便于模擬和研究,將其熱源簡(jiǎn)化為熱分析,并根據實(shí)際情況對燈具散熱片進(jìn)行優(yōu)化設計。源面,即小圓柱體外底面就設定為熱源面。本文重點(diǎn)探討燈具外部的散熱片的散熱效果,并分析簡(jiǎn)化理論模型模型芯片處溫度,模型簡(jiǎn)化符合實(shí)際情況。模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化使得仿真過(guò)程更為簡(jiǎn)單,節省運算時(shí)間,同LED燈具的造型以及尺寸是各不相同的,以時(shí)又保證了仿真的可靠性,使得總體效果達到種酒店常用的燈具為基礎模型進(jìn)行散熱情況的模最佳。擬并對其散熱結構進(jìn)行優(yōu)化設計,模型見(jiàn)圖1。對于面熱源,依據LF的工作效率,取燈具總功率的80%為熱源的熱功率,燈具總功率20W,相應熱功率即為16W。面熱源方程n·(-kVT)=A式(1)中,P為面熱源總功率,A為熱源面積。40在傳熱過(guò)程中,與空氣接觸的表而必然會(huì )與空氣產(chǎn)生熱交換,交換熱通量方程(2)式(2)中,h為傳熱系數,h=5W/(m2k);7=293.15K,為環(huán)境溫度;q為交換熱通量。此外,模型與空氣接觸,空氣對流必然會(huì )對模(a)半模型圖型產(chǎn)生自然冷卻,空氣自然對流冷卻方程n·(-kV們)=hn(T0-7)式(3)中,h0為空氣的傳熱系數,受環(huán)境因素(如空氣的濕度、流速、密度等)的影響而變化,自然空氣對流一般有5W/(m2K)≤h0≤25W/(m2K),但空氣的傳熱系數相對來(lái)說(shuō)是非常小且對模型影響較小,為了簡(jiǎn)化模型并考慮到散熱片外側空氣對流散熱較差,取h。=5W/(mK)不同的散熱結構對散熱效果有著(zhù)極其重要的影響。首先分析通用的直片形散熱結構,以此為基礎逐步優(yōu)化。常見(jiàn)的散熱片均為直片,共14片,第(b)仰視圖步優(yōu)化,將直片設計為弧形散熱片;仍為14片(稱(chēng)為圖1模型圖弧形散熱結構),再進(jìn)行第二步優(yōu)化;保持弧形前提Fig 1 Model diagram( Units in figure: mm)之下縱向再進(jìn)行分割(稱(chēng)為弧釘形散熱結構),間隔550江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第11卷為2mm,縱向共12片。將3種散熱設計的模型建立▲372.42完成,之后將模型導入有限元軟件進(jìn)行仿真模擬即372可得到對應散熱結構的熱分析。3712計算結果及分析3702.1仿真結果及分析普通LED在正常工作溫度范圍內其壽命有近10萬(wàn)h,一般保證芯片處最高溫度控制在393.1K左右即可保證其較長(cháng)使用壽命。當然,如果溫度低40些有助于延長(cháng)其使用壽命。另外,影響電源使用壽命的主要是電容,而電容保持其溫度在348.1K左V365.21右其壽命可達到近4萬(wàn)h。因而,與普通燈具相比,保(b)弧形散熱結構熱分析圖證LED芯片以及電源均正常工作,即可使燈具使用壽命滿(mǎn)足人們的需求?！?68.57取燈具總功率為20W,熱功率即為16W,即可368得到對應模型的熱分析圖。采取有限元方法,仿真模擬得到燈具運行10h后的散熱片及支架、LED基底以及芯片的穩定溫度場(chǎng)分布,經(jīng)過(guò)對數據的觀(guān)察對比,此時(shí)溫度分布已經(jīng)穩定,3種不同散熱設計的62芯片以及后部鋁散熱片處溫度對比見(jiàn)表1,相應的B60熱分析見(jiàn)圖2。358表1三種散熱結構芯片以及后部鋁散熱片溫度對比Tab 1 Temperature contrast of three thermalB56structures in chips and rear aluminum heat sinkV353.68銅基底熱源表面溫度后部鋁散熱片散熱結構分類(lèi)(c)弧釘形散熱結構熱分析圖(近似為芯片處溫度)/K溫度/K圖23種不同散熱結構散熱效果熱分析圖直片形散熱結構375.1367.9Fig 2 Thermal analysis charts of three different heat弧形散熱結構sinks372.4365.2從表1及圖2能很明顯看出直片形、弧形、弧釘弧釘形散熱結構368.5353.6形散熱結構的芯片處溫度以及后部鋁散熱片處溫度的對應變化。對于直片散熱結構,銅基底熱源表20▲375.14面溫度(近似為芯片處溫度)375.1K,后部鋁散熱375片溫度為367.9K,只有芯片處溫度符合要求,而后37部鋁散熱片處溫度仍需改善。對散熱結構進(jìn)行優(yōu)化設計,變?yōu)榛⌒紊峤Y構,由表1及圖2易發(fā)現,后373部鋁散熱片處溫度仍不符合要求。再次改良散熱結37構后,弧釘形散熱結構銅基底熱源表面溫度368.5K,371后部鋁散熱片溫度353.6K,同時(shí)保證了電源以及芯片長(cháng)時(shí)間正常工作。燈具總功率為20W,能夠滿(mǎn)足各種日常需要。2.2直片散熱結構的最合適功率考慮到目前商家的產(chǎn)品散熱片均為普通的直V367.98片散熱片,因而有必要模擬得到該設計燈具的最大(a)直片形散熱結構熱分析圖功率。因為想將電源設計放在空腔之內,因而必須第5期楊占海等:大功率LED陣列散熱結構熱分析551保證空腔處溫度在一定溫度范圍內。散熱片仿真模因而應該做好散熱設計,保證空腔處電源溫度不會(huì )擬結果如圖3所示。過(guò)高。模擬過(guò)程中限定空腔處溫度在349.5K也就20▲34952是75℃左右。經(jīng)過(guò)有限元方法仿真,模擬得到當燈349.5具總功率在13.75W時(shí),即熱功率為11W,效果較20349.0為理想。348.03結語(yǔ)347.0346.5在對散熱設計的優(yōu)化過(guò)程中,通過(guò)逐步優(yōu)化大346.0功率LED燈具的散熱結構,仿真模擬直片形、弧形345.5以及弧釘形散熱片的溫度場(chǎng)分布,散熱效果逐步改345.0善,得出在弧釘形散熱架構下空腔以及芯片處溫度V344.6均在合適的范圍內且燈具使用壽命近40000h圖3直片形散熱結構最合適功率熱分析圖此外,因直片形散熱結構最為常用,本文中也Fig 3 Thermal analysis chart of straight-shaped heat計算得出14片直片形散熱結構最合適功率為1375ink with the most appropriate powerW,燈具光照效果足夠好,可以滿(mǎn)足人們日常生活的電源壽命主要取決于電源內電容的壽命,電容需要。采取有限元方法,節約了大量的時(shí)間以及各一般工作在-40~+105℃,但不同溫度下的電容種消耗,同時(shí)得出了較為符合實(shí)際的散熱片溫度場(chǎng)壽命就有很大的不同。而單顆LED壽命可達10萬(wàn)h,分布,對以后燈具的散熱設計有一定的指導意義。參考文獻( References)[1]魯祥友,華澤釗,謝遠來(lái),等,基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析[J].電力電子技術(shù),2009,43(3):73-74.LU Xiang-you, HUA Ze-zhao, XIE Yuan-lai, et al. 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