LED灯具散热建模仿真关键问题研究

2015-02-21编辑:探路者 关键字:LED灯具  散热
 本文综合研究了边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等仿真建模的关键问题,并与实验室温度测量相结合来验证仿真方法的准确性。结果表明,该方法对室内照明LED灯具能进行较为准确的散热分析,仿真温度误差在4℃左右,仿真结果对LED灯具开发设计具有重要参考价值。

  0 引言

  LED属于半导体发光器件,受目前LED芯片的生产制造水平限制,LED高功率产品输入功率仅有约20%~30%转换为光能,剩下的70%左右均转换为热能。结温升高会影响LED的寿命、光效、光色(峰值波长)、色温、配光、可靠性、发光强度、正向电压等,而这些均是影响照明质量的重要因素。

  为了控制LED灯具的温升,保证灯具的寿命和可靠性,国内外学者针对照明用LED灯具散热设计的相关研究已有不少,尤其是利用有限元流体力学CFD仿真软件进行散热模拟仿真分析,可以全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射,分析求解LED灯具内外的温度场和流场等,非常适用于目前LED照明灯具散热模拟仿真。

  本文将从边界条件(环境温度、重力方向等)、热阻计算、热载荷分布和形式、散热材料导热系数和辐射率等几个方面,分析LED照明灯具散热仿真建模中的关键问题,并通过实验室温度测量验证模型仿真结果的精度。

  1 边界条件

  1.1 环境温度

  仿真分析了5WHLA60LED球泡灯在环境温度分别为20、25、30、35、40、45和50℃时的温度场分布情况,图1~3给出的是LED工作温度(图中,max表示LED最高工作温度,avg表示LED平均工作温度,下同)、散热器平均温度、电源温度随着环境温度的变化而呈现出的温度变化趋势图,从仿真结果图中可以看出,LED最大温度和平均温度、散热器平均温度与环境温度呈线性变化关系,即环境温度越高,LED最大温度、散热器平均温度也越高。但它们之间关系不是纯粹的线性叠加,比例系数约为0.8.

1.2 重力方向

  热量具有与重力反方向的传递趋势,图4所示为5WHLA60LED球泡灯采用三种不同安装方式的温度仿真分析效果。从图中可以发现灯具温度场因重力方向不同而发生了明显的变化。因此在仿真过程中,要明确LED灯具的安装位置和方式。

  2 热阻

  热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力,可通过材料导热系数(K)来计算:

  式中,犔表示热通道路径的长度,犃表示热通道有效横截面积。

  热阻分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时,遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触固体的交界面时,界面本身对热流呈现出明显的热阻,称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是,任何表面接触良好的两物体,实际接触面积只是交界面的一部分,其余部分都是缝隙,热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递,而它们的传热能力远不及一般的固体材料。

  对于部分热通道材料层因其厚度很小,在建模过程中可不体现出来,而采用等效面接触热阻替代,便于散热建模CFD仿真分析。例如:

  (1) 采用回流焊工艺将LED光源焊接到铝基板上,LED光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层的主要材料成分为锡(96%),厚度一般为0.1~0.15mm,导热系数为60W/(K·m)。

  (2) 如图5,铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成,导电层厚度微小、导热率好,因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定,导热绝缘层厚度小、导热率差,而金属基层厚度大、导热好,若二者按同一材料体设置,仿真结果将会出现较大偏差。

  铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成一等效热阻R等效,计算公式如下:

  进一步,R等效可用等效导热系数狉等效来表示,而狉等效可按下式计算:

  式中,ri为各层材料导热系数,hi为各通道厚度。

  文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度0.076mm、导热系数1W/(K·m)),则等效导热系数K等效为2.88W/(K·m),厚度为0.226mm.

  (3) 铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连接,此通道层设置成面接触热阻,厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。不同的粘结层材料厚度和导热系数都会对LED工作温度产生影响,如图6和图7所示。

  分析可知粘结层厚度越小,粘结材料导热系数越高,LED的工作温度越低,灯具散热越好。

  3 热载荷

  3.1 热载荷分布

  热载荷主要分布在两个地方,LED光源和电源。LED光源发光而产生的热量是LED灯具主要热源处,当前照明用LED的光电转换效率ηLED约30%,亦即70%左右的LED输入功率PLED转换成热量,则LED发热量QLED:

  而LED灯具驱动电源中电子元器件同样也是热源之一。灯具输入总功率(P灯)减去PLED求得电源消耗总功率(P电源),再根据电源工作效率,即可求出电源发热量Q电源:

  3.2 热载荷形式

  热源有两种表现形式:体热源和面热源。25WLED筒灯热载荷17.5W.分别按照两种热源形式进行散热仿真。仿真结果基本相同,如图8所示,因此,不同的热源形式对于CFD散热仿真分析的影响并不是很大。

  4 散热材料导热系数和辐射率

  4.1 散热材料导热系数

  材料的导热系数高低反映的是材料热传导能力的强弱,热传导是影响散热的最根本因素,它决定了LED灯具产生的热量能否有效、快速传递到灯具散热表面。不同材料的导热系数因其物理属性、生产工艺等有所不同。仿真分析14WLEDPAR30射灯,采用不同导热系数的散热材料,对LED灯具的工作温度产生的影响,仿真结果如图9所示,说明材料的导热系数越高,最终的LED灯具工作温度越低,散热效果越好。

  4.2 散热材料辐射率

  不同材料的热辐射系数γ是不相同的,即使是同种材料不同表面处理工艺,其热辐射系数也不尽相同[14],因此在CFD散热仿真时,必须明确材料及其表面处理情况。仿真分析了7WLEDPAR16射灯的散热器表面辐射系数分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5的温度场情况,图10和图11给出了LED工作温度、散热器平均温度随散热材料辐射系数的变化趋势。观察仿真结果可以发现,当材料辐射率在0.80以上变化时,LED工作温度、散热器平均温度并未出现较大的变化,说明对于铝制散热器,材料辐射率达到0.80即可;而当材料辐射率在0.80以下时,LED最大温度、散热器平均温度随材料辐射率呈线性变化关系,辐射率越低,温度越高。因此,在产品散热材料选择时,可以表面辐射率0.80为参考。

  5 仿真数据与实验室测量验证

  利用CFD仿真软件分别对7WLEDPAR16射灯、14WLEDPAR30射灯进行散热仿真,根据实验室环境温度,将室温和固体初始温度均设置为29℃,仿真结果如图12、图13所示。实验室温度测量采用8通道热电耦测温仪TP700,测量环境为无人走动恒温密闭实验室,环境温度为29℃。将实验室温度测量结果与CFD仿真结果进行比较,如表1、表2所示。

  通过表1和表2的比较可以得出,仿真温度与实验室测量温度误差最大也仅有4.17℃,最小为0.17℃,说明本文所建立的LED灯具散热模型比较符合实际工作情况,仿真精度比较高。同时,通过仿真还发现LED灯具驱动电源工作温度过高,在后续产品开发过程中还可以有针对性地解决电源散热问题,提升LED照明灯具产品的寿命和可靠性。

  6 结论

  边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等问题是LED灯具CFD仿真分析中的关键步骤,需要结合实验室温度测量进行验证和修正,才能得出较为准确的散热模拟仿真分析结果。CFD散热仿真结果对LED灯具开发设计具有重要的参考价值和指导作用,可以缩短研发周期、降低开发设计费用、提升LED灯具产品的可靠性和竞争力。

关键字:LED灯具  散热

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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