LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問(wèn)題研究

　　0 引言

　　LED屬于半導體發(fā)光器件，受目前LED芯片的生產(chǎn)制造水平限制，LED高功率產(chǎn)品輸入功率僅有約20%~30%轉換為光能，剩下的70%左右均轉換為熱能。結溫升高會(huì )影響LED的壽命、光效、光色(峰值波長(cháng))、色溫、配光、可靠性、發(fā)光強度、正向電壓等，而這些均是影響照明質(zhì)量的重要因素。

　　為了控制LED燈具的溫升，保證燈具的壽命和可靠性，國內外學(xué)者針對照明用LED燈具散熱設計的相關(guān)研究已有不少，尤其是利用有限元流體力學(xué)CFD仿真軟件進(jìn)行散熱模擬仿真分析，可以全面分析LED燈具的熱傳導、熱對流及熱輻射，分析求解LED燈具內外的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等，非常適用于目前LED照明燈具散熱模擬仿真。

　　本文將從邊界條件(環(huán)境溫度、重力方向等)、熱阻計算、熱載荷分布和形式、散熱材料導熱系數和輻射率等幾個(gè)方面，分析LED照明燈具散熱仿真建模中的關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗室溫度測量驗證模型仿真結果的精度。

　　1 邊界條件

　　1.1 環(huán)境溫度

　　仿真分析了5WHLA60LED球泡燈在環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45和50℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況，圖1~3給出的是LED工作溫度(圖中，max表示LED最高工作溫度，avg表示LED平均工作溫度，下同)、散熱器平均溫度、電源溫度隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而呈現出的溫度變化趨勢圖，從仿真結果圖中可以看出，LED最大溫度和平均溫度、散熱器平均溫度與環(huán)境溫度呈線(xiàn)性變化關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，LED最大溫度、散熱器平均溫度也越高。但它們之間關(guān)系不是純粹的線(xiàn)性疊加，比例系數約為0.8.

1.2 重力方向

　　熱量具有與重力反方向的傳遞趨勢，圖4所示為5WHLA60LED球泡燈采用三種不同安裝方式的溫度仿真分析效果。從圖中可以發(fā)現燈具溫度場(chǎng)因重力方向不同而發(fā)生了明顯的變化。因此在仿真過(guò)程中，要明確LED燈具的安裝位置和方式。

　　2 熱阻

　　熱阻(Rth)是指熱量在熱通道上遇到的阻力，可通過(guò)材料導熱系數(K)來(lái)計算：

　　式中，犔表示熱通道路徑的長(cháng)度，犃表示熱通道有效橫截面積。

　　熱阻分為導熱熱阻和接觸熱阻。當熱量在同一物體內部以熱傳導的方式傳遞時(shí)，遇到的熱阻稱(chēng)為導熱熱阻。當熱量流過(guò)兩個(gè)相接觸固體的交界面時(shí)，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱(chēng)為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何表面接觸良好的兩物體，實(shí)際接觸面積只是交界面的一部分，其余部分都是縫隙，熱量依靠縫隙內氣體的熱傳導和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。

　　對于部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過(guò)程中可不體現出來(lái)，而采用等效面接觸熱阻替代，便于散熱建模CFD仿真分析。例如：

　　(1) 采用回流焊工藝將LED光源焊接到鋁基板上，LED光源燈珠與鋁基板間設置接觸熱阻?；亓骱笇拥闹饕牧铣煞譃殄a(96%)，厚度一般為0.1~0.15mm,導熱系數為60W/(K·m)。

　　(2) 如圖5，鋁基板由導電層、導熱絕緣層和金屬基層構成，導電層厚度微小、導熱率好，因此可忽略不計；主要熱阻由導熱絕緣層決定，導熱絕緣層厚度小、導熱率差，而金屬基層厚度大、導熱好，若二者按同一材料體設置，仿真結果將會(huì )出現較大偏差。

　　鋁基板絕緣層與回流焊錫層的熱阻進(jìn)行換算成一等效熱阻R等效，計算公式如下：

　　進(jìn)一步，R等效可用等效導熱系數狉等效來(lái)表示，而狉等效可按下式計算：

　　式中，ri為各層材料導熱系數，hi為各通道厚度。

　　文中燈具采用貝格斯鋁基板(絕緣層厚度0.076mm、導熱系數1W/(K·m))，則等效導熱系數K等效為2.88W/(K·m)，厚度為0.226mm.

　　(3) 鋁基板通過(guò)導熱硅脂或硅膠墊片與散熱器連接，此通道層設置成面接觸熱阻，厚度為0.5mm、導熱系數為1.5W/(K·m)即可。不同的粘結層材料厚度和導熱系數都會(huì )對LED工作溫度產(chǎn)生影響，如圖6和圖7所示。

　　分析可知粘結層厚度越小，粘結材料導熱系數越高，LED的工作溫度越低，燈具散熱越好。

　　3 熱載荷

　　3.1 熱載荷分布

　　熱載荷主要分布在兩個(gè)地方，LED光源和電源。LED光源發(fā)光而產(chǎn)生的熱量是LED燈具主要熱源處，當前照明用LED的光電轉換效率ηLED約30%,亦即70%左右的LED輸入功率PLED轉換成熱量，則LED發(fā)熱量QLED：

　　而LED燈具驅動(dòng)電源中電子元器件同樣也是熱源之一。燈具輸入總功率(P燈)減去PLED求得電源消耗總功率(P電源)，再根據電源工作效率，即可求出電源發(fā)熱量Q電源：

　　3.2 熱載荷形式

　　熱源有兩種表現形式：體熱源和面熱源。25WLED筒燈熱載荷17.5W.分別按照兩種熱源形式進(jìn)行散熱仿真。仿真結果基本相同，如圖8所示，因此，不同的熱源形式對于CFD散熱仿真分析的影響并不是很大。

　　4 散熱材料導熱系數和輻射率

　　4.1 散熱材料導熱系數

　　材料的導熱系數高低反映的是材料熱傳導能力的強弱，熱傳導是影響散熱的最根本因素，它決定了LED燈具產(chǎn)生的熱量能否有效、快速傳遞到燈具散熱表面。不同材料的導熱系數因其物理屬性、生產(chǎn)工藝等有所不同。仿真分析14WLEDPAR30射燈，采用不同導熱系數的散熱材料，對LED燈具的工作溫度產(chǎn)生的影響，仿真結果如圖9所示，說(shuō)明材料的導熱系數越高，最終的LED燈具工作溫度越低，散熱效果越好。

　　4.2 散熱材料輻射率

　　不同材料的熱輻射系數γ是不相同的，即使是同種材料不同表面處理工藝，其熱輻射系數也不盡相同[14],因此在CFD散熱仿真時(shí)，必須明確材料及其表面處理情況。仿真分析了7WLEDPAR16射燈的散熱器表面輻射系數分別為0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5的溫度場(chǎng)情況，圖10和圖11給出了LED工作溫度、散熱器平均溫度隨散熱材料輻射系數的變化趨勢。觀(guān)察仿真結果可以發(fā)現，當材料輻射率在0.80以上變化時(shí)，LED工作溫度、散熱器平均溫度并未出現較大的變化，說(shuō)明對于鋁制散熱器，材料輻射率達到0.80即可；而當材料輻射率在0.80以下時(shí)，LED最大溫度、散熱器平均溫度隨材料輻射率呈線(xiàn)性變化關(guān)系，輻射率越低，溫度越高。因此，在產(chǎn)品散熱材料選擇時(shí)，可以表面輻射率0.80為參考。

　　5 仿真數據與實(shí)驗室測量驗證

　　利用CFD仿真軟件分別對7WLEDPAR16射燈、14WLEDPAR30射燈進(jìn)行散熱仿真，根據實(shí)驗室環(huán)境溫度，將室溫和固體初始溫度均設置為29℃，仿真結果如圖12、圖13所示。實(shí)驗室溫度測量采用8通道熱電耦測溫儀TP700,測量環(huán)境為無(wú)人走動(dòng)恒溫密閉實(shí)驗室，環(huán)境溫度為29℃。將實(shí)驗室溫度測量結果與CFD仿真結果進(jìn)行比較，如表1、表2所示。

　　通過(guò)表1和表2的比較可以得出，仿真溫度與實(shí)驗室測量溫度誤差最大也僅有4.17℃，最小為0.17℃，說(shuō)明本文所建立的LED燈具散熱模型比較符合實(shí)際工作情況，仿真精度比較高。同時(shí)，通過(guò)仿真還發(fā)現LED燈具驅動(dòng)電源工作溫度過(guò)高，在后續產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中還可以有針對性地解決電源散熱問(wèn)題，提升LED照明燈具產(chǎn)品的壽命和可靠性。

　　6 結論

　　邊界條件設置、熱阻計算、熱量載荷分析和散熱器等問(wèn)題是LED燈具CFD仿真分析中的關(guān)鍵步驟，需要結合實(shí)驗室溫度測量進(jìn)行驗證和修正，才能得出較為準確的散熱模擬仿真分析結果。CFD散熱仿真結果對LED燈具開(kāi)發(fā)設計具有重要的參考價(jià)值和指導作用，可以縮短研發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)設計費用、提升LED燈具產(chǎn)品的可靠性和競爭力。