大功率LED路燈的散熱結構設計和參數優(yōu)化

摘要：為了達到對大功率LED路燈產(chǎn)品既降低制造成本(散熱器質(zhì)量)又加快散熱的目的，優(yōu)化了LED路燈散熱器結構。在對原有結構參數化建模及熱分析的基礎上，采用正交試驗分析了散熱器中平板厚度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度4因素對產(chǎn)品質(zhì)量與散熱效果的影響，并研究了同一結構下熱傳導與熱對流兩種方式對散熱的影響，最終得出了一個(gè)較為理想的優(yōu)化結果。數據結果表明，改進(jìn)后的散熱器最高溫度較原始模型下降了11℃以上，同時(shí)，質(zhì)量降低了約15．3％。
關(guān)鍵詞：大功率LED路燈；熱分析；散熱結構；ANSYS

目前，LED照明產(chǎn)品正在逐漸取代傳統的照明燈具成為主流照明產(chǎn)品。對于高功率的LED路燈而言，光效是燈具設計師關(guān)注的重點(diǎn)，然而，LED模組的低結溫是實(shí)現長(cháng)壽命和高光效的至關(guān)因素?，F實(shí)中，有很多關(guān)于路燈早期失效的報道，稱(chēng)之為死燈，這對公共照明來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的制約。因此，如何降低大功率LED產(chǎn)品的結溫是研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
眾所周知，LED光電轉換效率制約在15％～20％，其余的電能幾乎全部轉換成熱能，因此在LED產(chǎn)品工作時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。當多個(gè)LED密集排列組成路燈時(shí)，熱量的聚集效應更為嚴重。若不將此熱量盡快散出，隨之而來(lái)的熱效應將非常明顯。這將會(huì )引起芯片內部熱量聚集，導致發(fā)光波長(cháng)漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問(wèn)題。
本文利用有限元分析軟件ANSYS對LED路燈進(jìn)行了熱分析，對其散熱結構進(jìn)行了設計與優(yōu)化，達到了降低制造成本又加快散熱的效果。

1 散熱器結構設計與建模
通常條件下，熱量的傳遞有3種方式：傳導、對流和輻射。因輻射散熱量非常小，所以本文主要討論傳導和對流2種傳熱方式。
在LED路燈中，熱傳導主要表現在封裝結構與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來(lái)體現。因此，在大功率LED路燈中，外部散熱器的結構設計非常關(guān)鍵，直接影響整個(gè)系統的散熱能力。
在制作LED路燈時(shí)，通常將封裝好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB與外部的散熱器通過(guò)采用導熱粘合劑以及機械緊固件法等固定在散熱器上，如圖1所示。熱量的主要傳輸通道為：PN結-Cu柱-MCPCB-散熱器-空氣(環(huán)境)。

本文主要考慮散熱器對散熱的影響，采用的散熱器結構為一塊帶有很多散熱翅片的熱的良導體，通過(guò)具有一定厚度的“導熱板”固定住裝載有LED光源的MCPCB，實(shí)物如圖2所示，主要參數見(jiàn)表1。

首先，根據燈具、封裝光源等實(shí)際尺寸，在有限元模擬分析軟件ANSYS中建立模型如下。
在此模型中，考慮到燈具傳熱的主要途徑，忽略了封裝光源的引腳對散熱的影響。同時(shí)，由于封裝用的環(huán)氧樹(shù)脂熱導率只有0.2W／mK，在這里作絕熱處理。另外，假設各接觸面均為理想接觸界面，即不考慮界面熱阻。在模擬過(guò)程中，邊界條件設置如下：芯片功率為1 W，光電轉換效率設置為15％，與空氣對流系數設為5，散熱體黑度為0．5，環(huán)境溫度為25℃。