大功率LED照明灯散热装置研究
张驰1,吕文婷1,徐沛娟2,王洵3,李国忠3
(1.吉林大学辊锻工艺研究所,吉林长春130025;2.吉林大学计算机科学与技术学院,吉林长春130025;3.吉林恒光科技有限公司,吉林长春130025)
摘要:散热是制约大功率LED照明灯推广应用的关键技术问题。本文通过对LED照明灯散热的影响因素及设计要素的分析,研制了4种不同散热结构的大功率LED照明灯,并且做了温度测试和有限元数值模拟分析。结果表明,LED结温受散热片和基板的连接方式、散热片和电源的排布以及散热的总表面积等因素影响。
关键词:大功率LED照明灯;散热装置;散热要素;数值仿真;结温
LED照明与普通光源相比具有节约电力、寿命长、响应时间短、外形灵活多变等优点。小功率LED照明灯已经在公路隧道、日常生活等多个领域得到了一定的应用。但是由于小功率LED照明灯的亮度相比大功率LED灯仍有较大差距,若要实现国家半导体照明工程的目标,必须大力推广大功率LED照明。然而,由于大功率LED照明灯输入功率仅有15%~20%[1]的电能转化为光输出,其余则转换成热,若这些热量未能适时排出外界,不但会使灯具的发光效率降低,而且可能导致LED芯片因温度过高而迅速失效。因此,散热成为制约大功率LED照明灯推广应用的关键问题之一。LED照明灯的结构不同,其散热效果相异,研究大功率LED灯的散热结构是解决散热性能、提高光效等问题的关键。
1?大功率LED照明灯散热装置设计要素及散热原理
解决大功率LED照明灯的散热问题,实际上就是设计出合理的散热结构,进而控制LED的结温。为能有效控制LED结温,在大功率LED散热设计方面主要考虑2部分:一是芯片内部热沉铝基板的内部热传导路径的散热能力;二是铝基板散热装置外界环境的外部热传导路径散热能力。本文主要针对大功率LED的外部热传导路径进行研究。
LED散热结构主要涉及热传导和热对流。在进行大功率LED分析时,由于器件对温度的敏感性强,芯片温度受限(一般低于123?[2]),所以其热辐射可忽略[3]。因此,大功率LED照明灯散热的主要方式可分为导热板及散热片散热、自然对流散热、单向热管和回路热管散热以及外加风扇的强制散热等。
在导热板散热方式中,热量主要通过热传导来传递,并遵循傅里叶定律:
q=-kdTdx
式中,q?为热流密度(W/m2),k为导热系数(W/m?K),?-?表示热量流向温度降低的方向。
热对流是指固体表面与它周围接触的流体之间由于温差的存在而引起的热量交换。热对流可以分为2类,即自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述:
q?=h(TS-TB)
式中,h为对流换热系数;TS为固体表面的温度;TB为周围流体的温度[4]。
导热板及散热片散热方式,即采用3~5mm厚的铜板或铝板,将芯片热源的温度平均分布在板上,然后加装散热片来散热,但是这样会加大质量,成本也会随之增加。较大的质量会增加悬挂照明设备的危险性,在恶劣的自然条件下,尤其遇到台风、地震就很可能会产生意外,因此必须将质量和成本作为2个重要因素考虑到其中。大功率LED照明灯的散热装置若安装有外部散热片,则应使其合理布局,在考虑到照明灯的使用方式后还应该利用散热片的灵活多变性来加强其散热效果,尽量使散热片温度分布均匀,以充分发挥其作用。
单向导热管和回路导热管散热方式设计简单但成本较高。大功率LED照明灯的散热装置若安装有导热管,要考虑热管中液体的热容,针对不同功率的设备要选择合适的冷凝液。同时还应考虑热管的排布方式、散热能力、散热均匀性能和可靠性能对整个系统的影响[5?6]。
额外的风扇强制散热会使整个系统质量和尺寸增加,可靠性降低,成本增高。而自然对流散热方式不会增加质量也无需成本,是比较合适的散热方式,但是这种方式只适合低功率LED照明灯,满足不了大功率LED灯的散热需求。
有时散热结构不一定由单一方式组成,可以将导热管散热、导热板及散热片散热和风力对流散热等结合起来,以达到更好的散热效果。
在设计散热结构的同时还要兼顾散热材料的选择。由于大功率LED照明灯的光通量较大,通常所选材料要能耐短波波长、紫外光[7]以及具备一定的力学强度,还应考虑到灯具设计中树脂透镜、侧壁和灯罩对光有阻碍作用,只有选择透光率更高的材料和合理的安置角度才能满足提高光效的需求。
2?大功率LED照明灯散热装置试制及分析
基于上述散热理论及影响因素的研究,吉林大学与吉林省恒光公司共同开发研制了4种结构的大功率LED照明灯散热装置,如图1所示。
这4种大功率LED照明灯的总功率均为56W,每个芯片输入功率为1W,由于输入功率仅有图1?4种大功率LED照明灯散热装置15%~20%被有效应用,其余则转换为热量使得芯片成为热源,因此需要在模型上加载生热载荷。将
这4种LED照明灯样品通电40min后,实测其PN结及外部散热装置温度(见表1),把测量PN结导出端平均温度作为加载的恒定温度,并用ANSYS进行有限元分析。具体方法是:设与空气接触的散热装置表面承受自然对流载荷,对流换热系数设为10W/(m2??),环境温度20?,未设置载荷模型的其他表面均定义为绝热;定义各种材料属性,采用PLANE55的四节点单元[8],用自由网格的方法来划分网格,对散热装置热学模型的剖面进行二维热稳态分析。经有限元分析的4种照明灯散热装置的温度分布图如图2所示,仿真温度与实测值最大误差为0.55?。
在这4种散热装置中,散热装置1为带导热管和散热片的组合散热装置,电源固定在基板上,基板上穿插5只导热管,在导热管两侧装有若干散热片。导热管内装有冷凝液体,从芯片热源发出的热量经过铝基板传入导热管,再传递到散热片上,由于液体单位热容相对气体较大,在换热过程中如果伴随有相变传热(如水吸收热量蒸发变成气体),将有利于高通量热流密度(单位时间内通过单位面积的热量)的转移[9],从而使得流体与固体表面之间的换热能力增强。这种装置质量较轻,散热总表面积较大,如果考虑将散热片连接热管的同时和基板直接相连,并将电源与基板分离散热效果会更好。
散热装置2在铝制外壳上制成刺状的散热片,铝外壳只是线状和基板接触,散热片的散热表面积和基板的接触面积都较小,PN结导出端的平均温度最高,为67?。另外,电源直接固定在基板上阻碍了基板的散热,这也是造成温度升高的原因之一。
散热装置3采用铝制外壳和散热管片组合,电源固定在铝外壳的侧面,散热管片放于基板的另一侧,这样做是为了防止基板处灯源的热量堆积,但会出现散热不均问题,外壳处温度分布不均使伸缩受制约而产生温差应力,因此铝制外壳上热应力问题显著,最终导致器件可靠性降低。由于散热器各部分热膨胀系数不同会产生残余应力,同样会使器件可靠性降低,甚至导致大功率LED的失效[10]。
装置4采用大块铝制外壳和散热片,基板后面与圆弧状散热片相连,散热片体积和面积以及和基板的接触面积都比较大,PN结导出端的平均温度最低为47,散热片远端温度仅为40?。从散热面积角度来看,散热装置4的散热面积最大,散热效果最好。但是散热装置4质量最大,成本相对比较高,在选用此类型散热装置时,要考虑质量与成本等因素并在安装照明灯时增加固定装置负荷,保证安全。
上述散热系统中,只有装置1考虑了导热管结构,如果在散热装置中配备液体散热箱使其与导热管相连并构成液体对流循环,再将散热片制成喇叭形状,使基板底部与液体箱之间形成通风结构,这样就能形成基板散热、集风散热、液体散热的三级散热形式,达到较好的散热效果。另外,由于电源固定在基板上会妨碍基板的散热,最好将电源固定在远离基板的位置,这样散热效果会更好。
设计散热结构是个综合性问题,在设计过程中不单要考虑散热,还要考虑成本、质量、安全性等多方面因素。根据上述4种结构的散热表面积和LED灯PN导出端的平均温度绘制了它们之间的关系柱状图(如图3所示),可以看出,PN结温度的高低不单与散热温度有关,和散热结构、电源的放置位置等都有关联。
3?结语
综上所述,PN结导出端的平均温度不仅与LED光源PN结导出端使用材料的热导率有关,还与散热装置结构、散热片与基板的连接方式、散热片的排布以及散热的总表面积有关。因此,在考虑设计某一大功率LED散热结构时应该注意以下几点:1)大功率LED的散热结构应采用合适的散热材料;2)散热结构采用尽可能大的散热面积和合理的布局,尽可能加大基板与散热体接触面积,电源最好远离基板;3)尽量使散热片上温度分布均匀,避免内部热应力集中;4)控制散热装置质量,尽可能地降低成本。如若采用基板散热、集风散热、液体散热的三级散热形式,将能达到更好的目的。