LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問題研究（一）

本文綜合研究了邊界條件設(shè)置、熱阻計算、熱量載荷分析和散熱器等仿真建模的關(guān)鍵問題，并與實驗室溫度測量相結(jié)合來驗證仿真方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該方法對室內(nèi)照明LED 燈具能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的散熱分析，仿真溫度誤差在4℃左右，仿真結(jié)果對LED 燈具開發(fā)設(shè)計具有重要參考價值。

0 引言

LED 屬于半導(dǎo)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(zhuǎn)換為光能，剩下的70%左右均轉(zhuǎn)換為熱能。結(jié)溫升高會影響LED 的壽命、光效、光色(峰值波長)、色溫、配光、可靠性、發(fā)光強(qiáng)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(nèi)外學(xué)者針對照明用LED 燈具散熱設(shè)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(dǎo)、熱對流及熱輻射，分析求解LED 燈具內(nèi)外的溫度場和流場等，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(dǎo)熱系數(shù)和輻射率等幾個方面，分析LED 照明燈具散熱仿真建模中的關(guān)鍵問題，并通過實驗室溫度測量驗證模型仿真結(jié)果的精度。

1 邊界條件

1.1 環(huán)境溫度

仿真分析了5W HL?A60LED 球泡燈在環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45和50℃時的溫度場分布情況，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、電源溫度隨著環(huán)境溫度的變化而呈現(xiàn)出的溫度變化趨勢圖，從仿真結(jié)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)系不是純粹的線性疊加，比例系數(shù)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5W HL?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(xiàn)燈具溫度場因重力方向不同而發(fā)生了明顯的變化。因此在仿真過程中，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，可通過材料導(dǎo)熱系數(shù)(K)來計算：

式中，犔表示熱通道路徑的長度，犃表示熱通道有效橫截面積。

熱阻分為導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。當(dāng)熱量在同一物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時，遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)熱量流過兩個相接觸固體的交界面時，界面本身對熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。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(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)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，在建模過程中可不體現(xiàn)出來，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(shè)置接觸熱阻。回流焊層的主要材料成分為錫(96%)，厚度一般為0.1~0.15mm,導(dǎo)熱系數(shù)為60W/(K·m)。

(2)如圖5,鋁基板由導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層構(gòu)成，導(dǎo)電層厚度微小、導(dǎo)熱率好，因此可忽略不計;主要熱阻由導(dǎo)熱絕緣層決定，導(dǎo)熱絕緣層厚度小、導(dǎo)熱率差，而金屬基層厚度大、導(dǎo)熱好，若二者按同一材料體設(shè)置，仿真結(jié)果將會出現(xiàn)較大偏差。[!--empirenews.page--]

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(dǎo)熱系數(shù)狉等效來表示，而狉等效可按下式計算：

式中，ri為各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)1W/(K·m))，則等效導(dǎo)熱系數(shù)K等效為2.88W/(K·m)，厚度為0.226mm.

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

分析可知粘結(jié)層厚度越小，粘結(jié)材料導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)前照明用LED 的光電轉(zhuǎn)換效率ηLED 約30%,亦即70% 左右的LED 輸入功率PLED轉(zhuǎn)換成熱量，則LED 發(fā)熱量QLED:

而LED 燈具驅(qū)動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(jù)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(xiàn)形式：體熱源和面熱源。25 WLED 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(jié)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。