LED汽車前大燈散熱與光衰研究

摘 要：當(dāng)前環(huán)保節(jié)能汽車越來越受歡迎和推崇，在車輛的節(jié)能環(huán)保上，要投入更大的研究和資源。因此汽車在照明方面也要采取綠色節(jié)能的照明目標(biāo)。在照明上采用LED燈替代傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞c氙氣燈是必然趨勢，解決LED高效率散熱的問題是實(shí)現(xiàn)這一節(jié)能目標(biāo)的首要問題，本文將通過對比分析實(shí)驗(yàn)樣件和目標(biāo)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，來重點(diǎn)討論研究大功率LED應(yīng)用在汽車大燈上解決散熱和光衰的新思路和具體實(shí)施方法。希望通過研究解決減小前大燈工作溫度對光衰和壽命的影響這一技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：LED汽車前大燈；光衰；高效散熱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.113

1 汽車前大燈的散熱技術(shù)

我們都了解，半導(dǎo)體材料的材質(zhì)對工作環(huán)境溫度敏感，尤其功率較大的LED發(fā)熱多，溫度升高快，對應(yīng)半導(dǎo)體的光的轉(zhuǎn)化能力效率很低，剛開始工作的時候只有10%到20%的電能可以轉(zhuǎn)化成光能，其余電能以熱能的形式進(jìn)行釋放，產(chǎn)生大量的熱量。如果不能及時給LED提供良好散熱條件，半導(dǎo)體的壽命會降低。

汽車的前大燈是在很熱的環(huán)境中的，在汽車的發(fā)動機(jī)艙里，在這里高溫的水箱、引擎、排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能把LED燈炙烤著，使LED的外界環(huán)境溫度升高。傳統(tǒng)的車燈燈泡中產(chǎn)生的熱量是比LED燈泡的熱量要高很多的，它體內(nèi)包含有均溫設(shè)計(jì)，它燈泡的輸出亮度不會伴隨著環(huán)境溫度升高或者本身的熱而發(fā)生一定的變化。LED的光源輸出與半導(dǎo)體材料的PN結(jié)溫溫度有關(guān)，而其自身的熱或者是來自發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的高溫?zé)崃繒沟冒雽?dǎo)體材料的PN結(jié)溫溫度持續(xù)升高，散熱不佳會導(dǎo)致LED發(fā)光效率降低，亮度降低，大幅縮短半導(dǎo)體壽命。所以散熱的效果就成為了LED作為光源設(shè)計(jì)的重要研究方向。

在前大燈的散熱技術(shù)中，有被動散熱和主動散熱兩種，這里所說的被動散熱就是在一般的散熱設(shè)計(jì)里，在安裝大功率的LED的電路板時被緊緊的固定在散熱器上，在LED進(jìn)行打開工作時的熱量在通過傳導(dǎo)由電路板被傳導(dǎo)至效率比較好的散熱器上面，鋁制品散熱器的翼片通過和空氣大面積的接觸傳導(dǎo)進(jìn)行散熱。在中間填充了一些導(dǎo)熱的介質(zhì)為了更好的減小電路板和散熱器之間的熱量阻隔。在進(jìn)行選擇的時候，最好選用翼片形狀和面積可以充分滿足LED大燈散熱方案的散熱器，這種散熱的方式就是我們常說的被動散熱。主動散熱的方式有很多包括液冷、風(fēng)冷和熱管這幾種主要方式，熱管主要依靠高導(dǎo)熱性能的傳熱元件在全封閉的真空管里面的液體通過政法然后凝結(jié)來傳遞整體熱量。使用液冷的液體的時候一定要在泵的帶動下強(qiáng)制的進(jìn)行循環(huán)然后帶走整體散熱器的熱量。這兩種的主動的散熱都不太適合車燈的內(nèi)部使用，因此風(fēng)冷這種散熱方式經(jīng)常會被應(yīng)用，因?yàn)轱L(fēng)冷安裝相比以上兩種要簡單，而且造價比較低。在解決被動散熱的方式中存在的散熱器中心區(qū)域溫度太過于集中的問題，可以加強(qiáng)風(fēng)扇的強(qiáng)制對流來緩解散熱器溫度不均勻的問題。

在一般情況下，散熱器為了提高散熱效率會將LED焊在雙面敷銅層的印制板上面，把LED的底座和PCB的敷銅層采用焊接材料焊在一起，這也是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)，可以保證有大面積的敷銅層作為散熱面。在本文中研究的汽車LED前大燈是Luminleds公司的LUXEON Altilon H1K PnP，將發(fā)光半導(dǎo)體管芯通過金錫共晶焊接于高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板，陶瓷基板背部通過熱電分離設(shè)計(jì)，陶瓷基板可通過錫合金焊接在高導(dǎo)熱的銅PCB基板散熱塊上，銅PCB基板通過高導(dǎo)熱硅膠固定在散熱器上，再通過主動散熱將管芯產(chǎn)生的熱量及時傳導(dǎo)出。前大燈的散熱主要路徑是通過管芯、陶瓷基板、銅PCB基板、散熱器或者機(jī)殼、最后到環(huán)境空氣中。在LED的熱傳導(dǎo)的過程中，使用的各種材料的導(dǎo)熱性能不一樣，會有不同的熱阻隔，由于金錫焊層、氮化鋁陶瓷基板、錫合金焊層與銅PCB基板的熱導(dǎo)率系數(shù)高，導(dǎo)熱性能好，散熱性能好，這種散熱結(jié)構(gòu)的總熱阻要比常規(guī)中的結(jié)構(gòu)整體減少26%。

2 車燈環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在使用的LED光通量輸出低，近光燈使用時需要1000lm以上，LED在應(yīng)用的時候需要考慮汽車前大燈的配光要求和電學(xué)光學(xué)的整體穩(wěn)定性，所以前大燈一般需要幾顆甚至是幾十顆的LED元件在一塊模組里面，才能滿足車燈的整體需要。在前大燈的近光設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，擴(kuò)大散熱面積能夠起到提高熱傳導(dǎo)效率的效果，如果將3顆大功率的LED都放在銅PCB基板上面會使LED熱量過于集中，這種密集的大功率會使散熱難度加大。為了改變這種結(jié)構(gòu)帶來的散熱問題，我們試驗(yàn)中將銅PCB基板和散熱器緊密的貼合在一起并固定，這樣不僅性價比高，而且使用起來方便簡單，在整個散熱的過程里硅脂層就起到了關(guān)鍵的散熱作用。通過實(shí)驗(yàn)選擇了性價比較高的導(dǎo)熱脂，導(dǎo)熱率可以達(dá)到4.4W/m K的TG-244導(dǎo)熱硅脂。

散熱器會根據(jù)在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的分布和燈體的安裝空間來分成內(nèi)置的燈體散熱器設(shè)計(jì)和外置的兩個部分。把內(nèi)置散熱的裝置有內(nèi)置散熱器傳導(dǎo)到外置的散熱在設(shè)備上。將外置的散熱器設(shè)計(jì)在車燈內(nèi)殼的邊上，因?yàn)闊艄庠谛旭偟臅r候才打開，這時候發(fā)動機(jī)艙內(nèi)會出現(xiàn)強(qiáng)對流的風(fēng)冷作用，是溫度降低，利用對流的原理來完成散熱。車燈的外殼邊緣是在車前蓋的縫隙處的，車在行駛的時候車蓋的縫隙會進(jìn)入一定的氣流。氣流流經(jīng)到外置的散熱片翼片上，外置散熱器可以對等內(nèi)降溫起到作用，會清晰的感受到空氣中的冷風(fēng)氣流。想要促使強(qiáng)制空氣流動，通常在散熱片的背面加一些風(fēng)扇。風(fēng)扇裝置幫助強(qiáng)制對流和外界的熱空氣進(jìn)行交換，加速了散熱器的熱量交換，這種流動的空氣將熱量直接從PCB板面上帶走了。但是由于燈體空間很狹小內(nèi)部禁封，無法達(dá)成與外界的空氣對流狀態(tài)，在風(fēng)冷的系統(tǒng)中，風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)制對流可以給散熱器中心地區(qū)和周圍的環(huán)境帶來互換的效果，這樣可以有效幫助內(nèi)部的熱量在外殼的輔助下傳導(dǎo)出去，可以讓燈體的內(nèi)部和燈體的外殼溫度產(chǎn)生接近的狀態(tài)，達(dá)到預(yù)想的效果。

3 試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)

3.1 試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)以上的理論設(shè)計(jì)和整體在模型中做了LED的燈光實(shí)驗(yàn)，所有的樣件制作都盡量的滿足整體的需要，做到逼真。在燈體內(nèi)都安裝了依靠LED為光源的遠(yuǎn)光燈和近光燈，為了數(shù)據(jù)更真實(shí)有效，安裝了轉(zhuǎn)向燈和位置燈，本次實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是燈內(nèi)的溫度對光衰產(chǎn)生的影響。在測試中，利用光色電綜合分析系統(tǒng)，車燈配合光自動測試系統(tǒng)等專業(yè)的溫度檢測設(shè)備儀器進(jìn)行檢測。在實(shí)驗(yàn)中我們所使用的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，都是自動設(shè)置并記錄的，來保證能夠在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)散熱的功能和光衰之間有關(guān)系的規(guī)律。

測試的地方主要集中在車燈的照度和光亮的形狀，LED光源的溫度，銅PCB基板的溫度，燈箱不同位置的不同溫度和散熱器的溫度進(jìn)行觀察。在試驗(yàn)中光源的溫度和光衰的不同的散熱方式情況下會出現(xiàn)不同的效果變化，我們用一定的線段點(diǎn)法來記錄，在這個過程中我們發(fā)現(xiàn)：僅PCB散熱、加熱器散熱的被動散熱器和強(qiáng)制對流的主動散熱器在不同散熱的情況下存在著很大的結(jié)果差別，但是都能保證出光率在80%以上。在大功率的散熱器中不僅要管芯的結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度，還需要結(jié)溫比125℃低很多才可以，這樣可以維持LED燈的出光率和延長使用壽命，在亮度衰減至初始值70%的時候，LED燈使用性能已經(jīng)降低至影響正常使用。實(shí)驗(yàn)的整體實(shí)行是建立在LED散熱良好的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)采集的LED光源溫度為車燈外殼環(huán)境溫度，在車燈外殼上進(jìn)行溫度測試，通過記錄不同環(huán)境溫度，測量LED光源的光通量數(shù)值，數(shù)據(jù)顯示在環(huán)境溫度為60℃以下的時候LED光源亮度光衰緩慢，在環(huán)境溫度大于100℃的時候LED光源光衰開始快速衰減。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關(guān)系曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動散熱和強(qiáng)制對流的主動散熱3種不同散熱設(shè)計(jì)存在相當(dāng)大的差異。加散熱器的被動散熱和強(qiáng)制對流的主動散熱這兩種散熱裝置在105℃時，基本上能夠提供80%以上的出光率。

4 總結(jié)

綜上所述，本文是對LED汽車前大燈散熱與光衰研究展開的實(shí)驗(yàn)和討論，本文從汽車前大燈的散熱技術(shù)為研究的出發(fā)點(diǎn)，展開一定的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集整理。在通過研究中發(fā)現(xiàn)讓LED的光衰加重，發(fā)光效率受到影響，使用壽命變短主要的原因是LED本身的PN結(jié)產(chǎn)生的結(jié)溫升高。在應(yīng)用中通常會采用很多個LED芯片陳列設(shè)計(jì)，因此要做好LED散熱架的設(shè)計(jì)，使其能夠達(dá)到控制結(jié)溫的作用，提高使用壽命，擴(kuò)寬市場。

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作者簡介：徐嬌（1989-），女，江西高安人，碩士，研究方向：半導(dǎo)體行業(yè)、發(fā)光二極管、LED。