大功率LED阵列散热结构热分析

第I1卷第5期江南大学学报(自然科学版)Vol 11 No 52012年10月Journal of Jiangnan University( Natural Science Edition)Oct.2012大功率LED阵列散热结构热分析杨占海,姜云鹏,何跃娟’,苏宙平,张冬冬,李汨,夏海强(江南大学理学院,江苏无锡214】22)摘要:在自然对流冷却状态下,不同的散热结构对大功率LED阵列散热性能有显著影响。采用有限元分析法,对不同散热模型进行了分析并得到工作稳定时的热分析图;对比直片形、弧形、弧钉形散热结构的散热效果,逐步得出弧钉形散热结构散热效果最好,使得空腔以及芯片处温度均在合适的范围内,灯具的使用寿命达到近40000h。另外,模拟得出在普通散热设计中,灯具适合的功率约为13.75W。通过有眼元法仿真模拟得出较为合理的结果,有效地减少了实验损耗。关键词:大功率LED阵列;有限元法;散热结构;热分析中图分类号:TM923.34;TN305.94;0472.8文献标识码:A文章编号: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)即发光二极管,与大功率LED面临着一个散热问题,现有的LED输白炽灯和荧光灯相比,凭借其体积小、全固态、长寿人的电能70%~85%转化成了热量,而且IED命、环保、省电等一系列优点,已经在汽车照明、装芯片很小,如果散热不良,会使芯片温度升高,引起饰照明、手机闪光灯、大中尺寸显示屏光源模块得热应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉激射到广泛应用,被称为第4代照明光源或绿色光源,已效率下降,进而导致LED芯片快速劣化、器件寿经实现了全彩化和高亮度化,并且产生了白光命缩短6,所以LED封装及其灯具散热结构的设计LED,带来了人类照明史上的又一次跨跃2。然而是一个值得研究的问题。收稿日期:2012-07-18;修订日期:2012-09-25作者简介:杨占海(1989),男,河北唐山人,应用物理专业本科生。*通信作者:何跃娟(1971—),女,江苏宜兴人,理学博士,副教授。主要从事光学工程研究。Email:yuejuanhe@163.com第5期杨占海等:大功率IED阵列散热结构热分析549对于大功率LED灯具而言,考虑到电源的耐热灯具上共有9颗LED规则排布,如图1(b)所问题,基本所有大功率LED都是外挂电源(即电源示,假设所有单颗LED之间各种性能以及尺寸等完与灯具分离开),控制电源温度以延长使用寿命。如全相同,且模型具有对称性,图1(a)为模型一半的果将电源与照明部分封装成一个整体,用于替换传立体图灯具圆柱形散热结构,灯具体后部为空腔,统照明灯具,有着很好的实际应用价值,于是解决空腔深度40mm,内径145mm,而散热片内侧半径散热问题就显得更为重要。实际中,解决大功率15mm,外侧半径25mm,若将驱动电源放于空腔IED散热问题主要有实验方法或者是计算机仿真内,而为保证电源有较长的使用寿命,必须保证罕等。采用实验的方法,耗费了大量的人力和物力,成腔处的温度在一定范围内。此处模拟时并未将电源本较高,而若釆用仿真模拟的方法来测试散热结加入其中,只是分析对比了不同形状的散热结构的构,则可以大大节省资源,提高效率。有限元方法是散热效果LED的芯片是封装在一个铜基底上,其计算机热分析的有效方法,能够处理复杂的几何模内部结构较为复杂,因而将其简化为一个小圆柱型,可利用图形技术显示结果,直观地看出温度分体,底面半径1mm,高度0.4mm由于IED芯片极布,因此本文中釆用有限元法对散热设计进行热其微小,为了便于模拟和研究,将其热源简化为热分析,并根据实际情况对灯具散热片进行优化设计。源面,即小圆柱体外底面就设定为热源面。本文重点探讨灯具外部的散热片的散热效果,并分析简化理论模型模型芯片处温度,模型简化符合实际情况。模型经过简化使得仿真过程更为简单,节省运算时间,同LED灯具的造型以及尺寸是各不相同的,以时又保证了仿真的可靠性,使得总体效果达到种酒店常用的灯具为基础模型进行散热情况的模最佳。拟并对其散热结构进行优化设计,模型见图1。对于面热源,依据LF的工作效率,取灯具总功率的80%为热源的热功率,灯具总功率20W,相应热功率即为16W。面热源方程n·(-kVT)=A式(1)中,P为面热源总功率,A为热源面积。40在传热过程中,与空气接触的表而必然会与空气产生热交换,交换热通量方程(2)式(2)中,h为传热系数,h=5W/(m2k);7=293.15K,为环境温度;q为交换热通量。此外,模型与空气接触,空气对流必然会对模(a)半模型图型产生自然冷却,空气自然对流冷却方程n·(-kV们)=hn(T0-7)式(3)中,h0为空气的传热系数,受环境因素(如空气的湿度、流速、密度等)的影响而变化,自然空气对流一般有5W/(m2K)≤h0≤25W/(m2K),但空气的传热系数相对来说是非常小且对模型影响较小,为了简化模型并考虑到散热片外侧空气对流散热较差,取h。=5W/(mK)不同的散热结构对散热效果有着极其重要的影响。首先分析通用的直片形散热结构,以此为基础逐步优化。常见的散热片均为直片,共14片,第(b)仰视图步优化,将直片设计为弧形散热片;仍为14片(称为图1模型图弧形散热结构),再进行第二步优化;保持弧形前提Fig 1 Model diagram( Units in figure: mm)之下纵向再进行分割(称为弧钉形散热结构),间隔550江南大学学报(自然科学版)第11卷为2mm,纵向共12片。将3种散热设计的模型建立▲372.42完成,之后将模型导入有限元软件进行仿真模拟即372可得到对应散热结构的热分析。3712计算结果及分析3702.1仿真结果及分析普通LED在正常工作温度范围内其寿命有近10万h,一般保证芯片处最高温度控制在393.1K左右即可保证其较长使用寿命。当然,如果温度低40些有助于延长其使用寿命。另外,影响电源使用寿命的主要是电容,而电容保持其温度在348.1K左V365.21右其寿命可达到近4万h。因而,与普通灯具相比,保(b)弧形散热结构热分析图证LED芯片以及电源均正常工作,即可使灯具使用寿命满足人们的需求。▲368.57取灯具总功率为20W,热功率即为16W,即可368得到对应模型的热分析图。采取有限元方法,仿真模拟得到灯具运行10h后的散热片及支架、LED基底以及芯片的稳定温度场分布,经过对数据的观察对比,此时温度分布已经稳定,3种不同散热设计的62芯片以及后部铝散热片处温度对比见表1,相应的B60热分析见图2。358表1三种散热结构芯片以及后部铝散热片温度对比Tab 1 Temperature contrast of three thermalB56structures in chips and rear aluminum heat sinkV353.68铜基底热源表面温度后部铝散热片散热结构分类(c)弧钉形散热结构热分析图(近似为芯片处温度)/K温度/K图23种不同散热结构散热效果热分析图直片形散热结构375.1367.9Fig 2 Thermal analysis charts of three different heat弧形散热结构sinks372.4365.2从表1及图2能很明显看出直片形、弧形、弧钉弧钉形散热结构368.5353.6形散热结构的芯片处温度以及后部铝散热片处温度的对应变化。对于直片散热结构,铜基底热源表20▲375.14面温度(近似为芯片处温度)375.1K,后部铝散热375片温度为367.9K,只有芯片处温度符合要求,而后37部铝散热片处温度仍需改善。对散热结构进行优化设计,变为弧形散热结构,由表1及图2易发现,后373部铝散热片处温度仍不符合要求。再次改良散热结37构后,弧钉形散热结构铜基底热源表面温度368.5K,371后部铝散热片温度353.6K,同时保证了电源以及芯片长时间正常工作。灯具总功率为20W,能够满足各种日常需要。2.2直片散热结构的最合适功率考虑到目前商家的产品散热片均为普通的直V367.98片散热片,因而有必要模拟得到该设计灯具的最大(a)直片形散热结构热分析图功率。因为想将电源设计放在空腔之内,因而必须第5期杨占海等:大功率LED阵列散热结构热分析551保证空腔处温度在一定温度范围内。散热片仿真模因而应该做好散热设计,保证空腔处电源温度不会拟结果如图3所示。过高。模拟过程中限定空腔处温度在349.5K也就20▲34952是75℃左右。经过有限元方法仿真,模拟得到当灯349.5具总功率在13.75W时,即热功率为11W,效果较20349.0为理想。348.03结语347.0346.5在对散热设计的优化过程中,通过逐步优化大346.0功率LED灯具的散热结构,仿真模拟直片形、弧形345.5以及弧钉形散热片的温度场分布,散热效果逐步改345.0善,得出在弧钉形散热架构下空腔以及芯片处温度V344.6均在合适的范围内且灯具使用寿命近40000h图3直片形散热结构最合适功率热分析图此外,因直片形散热结构最为常用,本文中也Fig 3 Thermal analysis chart of straight-shaped heat计算得出14片直片形散热结构最合适功率为1375ink with the most appropriate powerW,灯具光照效果足够好,可以满足人们日常生活的电源寿命主要取决于电源内电容的寿命,电容需要。采取有限元方法,节约了大量的时间以及各一般工作在-40~+105℃,但不同温度下的电容种消耗,同时得出了较为符合实际的散热片温度场寿命就有很大的不同。而单颗LED寿命可达10万h,分布,对以后灯具的散热设计有一定的指导意义。参考文献( References)[1]鲁祥友,华泽钊,谢远来,等,基于热管散热的LED器件封装热分析[J].电力电子技术,2009,43(3):73-74.LU Xiang-you, HUA Ze-zhao, XIE Yuan-lai, et al. 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