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新型LED灯散热性研究

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新型LED灯散热性研究

王琛,申勋业,徐慧君(1东北农业大学工程学院150030)

摘要:LEO具有高效、节能、环保、寿命长、响应速度快等特点,被视作必将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源.但目前LED芯片80%-90%的电能转化成热量,而仅靠芯片封装器件外壳散热难以维持低温工况,严重制约了大功率LED灯的应用.我们主要是研究在自然空气冷却状态下,影响大功率LED灯散热性能的因素及各因素影响的程度,及大功率LED灯散热设计.

关键词:LED 散热性能 结温 翘片 辐射率

LED结构及特性
LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的品片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的止极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体品片由两部分组成,一部分是P犁半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P_N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P—N结材料决定的。
LED具有功耗低、体积小、可靠性高、寿命长和响应快等优点,己被应用于仪器仪表、计算机、汽车、电子玩具、通讯、自动控制、军事等领域。由于发光效率和发光强度的极大提高,达到烛光级的亮度,大功率LED已经逐步被应用于公路、铁路和机场的交通信号灯系统,汽车的尾灯、刹车灯和方向灯、户外大屏幕信息显示和全彩色电视显示系统等。

2大功率LED发展
大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA,而大功率LED可以达到1w、2W、甚至数十瓦,工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等m1。由于目前火功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约,冈此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明,中长期目标才是通用照明。何谓大功率LED,业界也没有公认的说法,目前普遍默认的划分标准为,超过1w即属于大功率LED或称作瓦级LED。
我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯,但很多是用小功率LED阵列作发光体,散热问题解决了,所用LED数=晕=要很多,小功率LED光衰强,安装成本高.城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势,少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到~定量时,LED的散热问题:LED的散光和聚光控制问题:路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题:光电转换效率太低,每瓦只有几个流明等问题H’。因此散热和可靠性是影响人功率LED应用主要因素。

3热效应对LED的影响
LED其光谱中不含红外成分,产生的热量不能靠辐射发出,故LED是冷光源。目前LED的发光效率仅能达到10%~20%,还有80%~90%的能量转换成了热量。
对丁二LED,结温(当电流流过LED元件时,P-N结的温度将上升,严格意义上说,就把P-N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸,因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。)高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面:
(1)减少LED的出光量;(2)造成LED发出光的峰值波长偏移,从而导致光源的颜色发生偏移:(3)缩短LED的寿命。
大功率LED灯是否能够正常工作,除LED芯片本身的冈素之外,在很大程度上还取决LED与散热片的合理匹配及安装接触面的导热条件。因此,散热器的结构形式及安装工艺是大功率LED灯有效散热的重要环节。
3.1散热片概述
大功率LED灯的散热片主要是以辐射和对流散热,通过增加散热总的有效面积,提高散热性能。散热片一般采用导热率高的材料,可用铝、铁、铜等材料。在截面积利厚度相同的条件下,铜材的散热效果最好。但一般多用铝材,因铝的散热性能优于铁,而重量比铜、铁轻的多,成本远低于铜。散热器表面应光洁平整,内部不得有疏松气孑L等缺陷。表面涂黑处理是将辐射率增大,有利于进~步减小外热阻。散热器是由基体与若干翅片组成的散热结构,与单个翅片不同,其散热单元为两两相邻的翅片与基体组成的U形或V形等通道,因此,必须考虑间距和散热片的肋片个数对散热性能的影响。
散热片的冷却方式可分为自然冷却和强迫冷却两类。强迫冷却可分为强迫风冷和强迫水冷两种。臼然冷却通过空气自然对流及辐射作用将热量带走;强迫风冷需要配备风机,强迫水冷需要配备循环水系统。照明用大功率LED灯,均是白然空气冷却散热∞。61。
现以一典型LED灯为例,使用热分析软件Fluent Icepak v4.2分析翅片各几何参数、位置、材料、表面处理等对散热性能的影响。建立物理模型:选定某一大功率LED芯片为热源,工作在自然空气冷却条件下,选取的散热器为铝材料,铝基板0.03mX 0.03m X 0.001m,LED芯片0.025mX 0.025m,散热片基体、LED.芯片、铝基板间通过导热胶连接

3.2散热片翘片的影响
任选一表面增设翅片,仅翅片某一几何参数变化,其余参数保持不变时,分析LED芯片结温变化情况。由上面分析结果可知,上表面翅片散热效果较明显,故选择翅片纵向分布在散热器基体上表面。翅片宽度0.003m,长度0.14m,数量20均布,其他几何参数及环境条件均保持不变,建立物理模型,如表3-2所示。
3.3散热片表面处理的影响
散热片以对流和辐射形式对外散热,在自然对流情况下,应考虑辐射的影响。表面处理指翅片表面涂覆复合材料或煮黑等氧化处理,提高翅片表面辐射率(辐射率是描述面辐射源特性的物理量。它表示辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量)。选择翅片纵向分布在散热片。翅片高度0.03m,厚度0.003m,长度为0.14m,数目20片,均匀分布。在其他几何参数及环境条件均保持不变的情况下。如表3—6所示。


4 结论
在对LED灯散热片散热性能分析中,我们并没有改变散热骗的结构性能参数,由于散热片主要是靠散热片翘片增加散热面积来达到有效散热。如果改变散热片与器件的连接基体,基体的散热影响并不明显,并且改变基体在实际中并不容易,会提高散热片的成本。综合上述可知:
1)散热片虽然前、后、左、右四侧面上单位面上的散热效率高,但由于工艺搜到了限制。我们设计翅片或重点对上表面的翅片进行优化;
2)散热片翅片厚度对散热器性能的影响不如翅片长度、高度、数目的影响明显;所以在进行散热器优化设计时,要考虑影响散热片性能的主要因素,这样既可以节省时间,也能满足工程需求。翅片尺寸达到一定程度后,若继续增大,其对散热片散热性能的增强效果就变得不明显,因此翅片各几何参数存在最优值


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