大功率LED散熱結構研究

張征宇，吳湘蓮

（嘉興職業(yè)技術學院，機電與汽車分院）

1 引言

發(fā)光二極管（light emitting diodes）照明以其高效、節(jié)能、環(huán)保、應用靈活、壽命長、安全性高等優(yōu)點，成為白熾燈、熒光燈后的又一新興光源。近年來大功率LED在日常照明領域不斷普及，但隨著功率的不斷提高，大功率LED 的散熱問題也日益突出，成為制約其行業(yè)發(fā)展的關鍵因素之一。本文首先從大功率 LED 散熱問題入手，對比分析目前市場常見的幾種大功率LED散熱結構的散熱特點，其次提出了大功率 LED 燈具散熱的結構優(yōu)化設計。

2 常見散熱結構

LED燈具輸入功率為100W，采用高密集COB封裝方式，對比如下。

2.1 熱管加鰭片設計

從熱成像圖片（見圖1、圖2）中可以看出光源基板的溫度與散熱器界面溫度相差2℃。但是光源表面溫度為74℃（見圖3），光源中的熱量還未及時導出，在光源中積聚，影響光源的壽命，造成光衰。鰭片加熱管散熱的這種結構需要在燈具內部完成安裝，對于燈具的外形尺寸有嚴格的要求，不易于成型各種結構尺寸。

2.2 均溫板加鰭片散熱

從紅外成像儀（見圖4、圖5、圖6）中可以看出光源表面溫度與散熱器周邊溫度相差30℃。光源中的熱量未能及時擴散出來，散熱的均勻性不好。由于外設散熱鰭片，燈具的整體重量增加，在燈具安裝使用過程存在安全隱患。

2.3 LED路燈散熱器一體化設計

2.3.1 有限元分析基礎

三維直角坐標系中的瞬態(tài)溫度場場變量T（x, y, z, t）滿足：

圖1 光源基板溫度

圖2 散熱器界面溫度

圖3 光源表面溫度

圖4 光源基板溫度

圖5 散熱器界面溫度

圖6 光源表面溫度

——媒介傳導速率。

則（1）式可簡化為：

由公式（3）確定的邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結果。

2.3.2 散熱模型

LED燈具輸入功率為100W，采用高密集COB封裝方式，傳熱與散熱一體化薄板型散熱器件的穩(wěn)態(tài)溫度場如圖7、圖8、圖9所示。

從紅外熱成像儀中可以看出雖光源中心溫度與周邊溫度相差9℃，但是光源表面的溫度僅為69℃，熱量基本導出，散熱效果非常好。由于散熱器件的散熱效果比較好就無需笨重的外殼來輔助散熱，因此外殼采用PC材質，相比與傳統(tǒng)散熱器無安全隱患，散熱效果大大改善。

3 結束語

從以上對比得到采用傳熱與散熱一體化設計的薄板型散熱器件有以下明顯的優(yōu)勢。

1）與傳統(tǒng)壓鑄型鋁沉散熱器和型材鋁散熱器相比，其重量可減輕3～6倍，在降低材料成本的同時便于安裝；

2）與熱管散熱器相比其重量也降低了1～2倍，在大功率LED 照明器件上其重量降低尤為明顯；

3）與傳統(tǒng)熱管散熱器相比，其傳熱結合界面從熱管散熱器的3～4個結合界面減少到1個，其傳熱熱阻大幅度降低；

4）不存在常用熱管的傳熱密度低、低溫凍凝、向下傳熱能力低下等缺陷，其后期維護優(yōu)勢明顯。

圖7 光源基板溫度

圖8 散熱器界面溫度

圖9 光源表面溫度

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