UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析

姜海峰

（深圳市嘉力電氣技術(shù)有限公司，廣東深圳 518132）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)光源元件的發(fā)光強(qiáng)度提出了越來(lái)越高的要求。與傳統(tǒng)光源相比，UVLED光源元件的研發(fā)，摒棄了傳統(tǒng)光源元件的體積大、使用壽命短、響應(yīng)時(shí)間慢、成本高、不環(huán)保等缺點(diǎn)，成為第四代光源元件[1]。由于其小巧、方便攜帶、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，逐漸在各個(gè)領(lǐng)域被使用?，F(xiàn)如今，隨著國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排的號(hào)召，UVLED光源元件應(yīng)用方向越來(lái)越多，如指示燈、彩屏、顯示屏、普通照明設(shè)備等均采用UVLED光源元件，減少了人們的電力支出。但是，UVLED光源元件使用頻繁以后，其散熱問(wèn)題逐漸成為研究者頭疼的方向，由于其體積小，內(nèi)部構(gòu)造相應(yīng)減小，導(dǎo)致溫度聚集，散熱效果差，應(yīng)用于恒流電源后，散熱問(wèn)題日益加重，在電源持續(xù)性工作的過(guò)程中，散熱問(wèn)題更加困難，因此，UVLED光源元件恒流電源熱事故頻發(fā)[2]。如果不解決散熱問(wèn)題，UVLED光源元件的發(fā)展將會(huì)止步于此。傳統(tǒng)UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析效果較差，分析出的溫差大小與實(shí)際溫差大小相差較多，使電源不能得到及時(shí)地散熱，引起其內(nèi)部高溫，減少使用壽命?；诖?，本文設(shè)計(jì)了UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析方法，及時(shí)分析出電源的內(nèi)部熱量，減少電源熱事故的發(fā)生次數(shù)，為電力產(chǎn)業(yè)提供參考依據(jù)[3]。

1 構(gòu)建恒流電源散熱性能分析模型

隨著UVLED光源元件向小尺寸、高輸出方向發(fā)展，如何降低UVLED光源元件芯片與散熱片之間的熱阻、提高熱導(dǎo)率、降低大功率UVLED光源元件的熱阻和溫度成為至關(guān)重要的研究課題[3]。所以本文對(duì)UVLED光源元件進(jìn)行深入研究。為了研究UVLED光源元件恒流電源的散熱性能，本文對(duì)UVLED光源元件恒流電源的散熱通道作出分析，分析各部分占總散熱量的比例。以常規(guī)UVLED光源元件恒流電源散熱結(jié)構(gòu)為例，其散熱裝置有：散熱基板、電極引腳、外殼，以及透鏡，本文據(jù)此構(gòu)建的分析模型如圖1所示。由圖可知，恒流電源散熱性能分析模型中，分為3個(gè)部分，最上方存在電源封裝透鏡，其散熱方式為向外擴(kuò)散；中間層為恒流電源芯片，其散熱方式為向兩邊擴(kuò)散；下層為電源散熱器，其散熱方式為向下擴(kuò)散。此項(xiàng)散熱過(guò)程屬于散熱較快的途徑，此外，降低UVLED光源元件芯片本身的熱阻、增加鍵合材料的熱導(dǎo)性能、降低電源基板的熱阻等途徑，僅能提高散熱效果[4]。

圖1 恒流電源散熱性能分析模型

本文將UVLED光源元件的主要散熱量占總散熱量的比例用圖示的形式展現(xiàn)出來(lái)，如圖2所示。由圖可知，恒流電源各個(gè)部位散熱比例中，散熱基板占73%，電源電極引腳占19%，外殼占6%，透鏡占2%[5]。散熱基板散熱性能占總散熱比例的2/3左右，因此，恒流電源中的大部分熱量，是通過(guò)散熱基板傳遞到散熱器的，所以對(duì)散熱基板的散熱性能分析尤為重要。

圖2 電源各個(gè)部位散熱比例

通過(guò)散熱性能分析模型的構(gòu)建，本文認(rèn)為，解決UVLED光源元件恒流電源的散熱問(wèn)題，從UVLED光源元件散熱通道入手是關(guān)鍵[6]。電源散熱的主要渠道是基板散熱，從PN結(jié)——外延層——封裝基板——散熱器——外部環(huán)境。其散熱流程如圖3所示，在本文設(shè)計(jì)的模型中，在光源元件的散熱性能方面，僅考慮主要散熱通道，也就是圖中的PN結(jié)——外延層——封裝基板——散熱器——外部環(huán)境[7]。

圖3 UVLED光源元件恒流電源散熱通道

UVLED光源元件的核心部件是P與N兩種半導(dǎo)體組成的，P與N半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，也就是PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)中的空穴與電子達(dá)到平衡時(shí)，UVLED光源元件即會(huì)將光轉(zhuǎn)化為電，供電源發(fā)電。PN結(jié)能量轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Eg為轉(zhuǎn)化的電能；hp為普朗克參數(shù)；γ為光子頻率。

由于PN結(jié)良好的導(dǎo)熱性，電源的熱阻在模型中可以忽略不計(jì)，兩個(gè)固體界面之間的接觸熱也可以忽略不計(jì)。本文考慮UVLED光源元件的光電轉(zhuǎn)化率中，有80%的電能可以轉(zhuǎn)化為熱能，因此在模型中對(duì)散熱通道加入銅箔制線，銅箔極薄，可以充分導(dǎo)熱，并且熱阻較小，可以減小光源元件的熱量堆積。就構(gòu)建的性能分析模型來(lái)看，UVLED光源元件中光電轉(zhuǎn)換率越低，熱效應(yīng)越明顯[8]。所以，當(dāng)光源元件正常工作時(shí)，其產(chǎn)生的熱能在PN結(jié)處被收集起來(lái)，也就是結(jié)溫現(xiàn)象。本文認(rèn)為，影響電源散熱性能分析的主要因素有兩個(gè)：一是內(nèi)量子效率，內(nèi)量子效率接近90%，說(shuō)明內(nèi)量子效率不是UVLED光源元件散熱性能的主要影響因素；二是外量子效率，外量子效率只有30%左右，大部分轉(zhuǎn)化為熱能，是影響光源元件散熱的主要因素。如果其芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，電源的溫度會(huì)迅速升高，對(duì)散熱性能影響非常大。

2 獲取模型UVLED光源元件熱阻參數(shù)

散熱性能一直是阻礙UVLED光源元件發(fā)展的重大技術(shù)問(wèn)題，也是制約其發(fā)展的最重要難題。隨著其高亮度技術(shù)的研發(fā)，電源散熱性能分析更加難以分析。就UV?LED光源元件而言，由于研發(fā)的人力物力增加，逐漸失去了最開(kāi)始的環(huán)保理念，不采用主動(dòng)散熱方式，只注重光源元件的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，導(dǎo)致恒力電源的溫度過(guò)高，熱事故問(wèn)題日益突出，不僅減少了使用壽命，還會(huì)增加熱事故的次數(shù)[9]。因此，本文通過(guò)構(gòu)建模型的方式，對(duì)元件的散熱性能進(jìn)行分析，并通過(guò)此模型，獲取UVLED光源元件的熱阻參數(shù)。本文根據(jù)電源內(nèi)部的加熱機(jī)理，要想得到恒流電源的升溫性能，除了電源等效總電阻外，還必須求得電源電動(dòng)勢(shì)的溫度變化系數(shù)，進(jìn)而才能獲取熱阻參數(shù)。恒流電源的總電阻和溫度變化系數(shù)，會(huì)隨著電源的荷電狀態(tài)、溫度、放電電流等各種影響因素而變化[10]。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無(wú)論是卷繞式還是承壓式，電源都是由活性材料的正極、負(fù)極，以及浸入式電解液中的隔膜組成。以上原因均會(huì)給電源的熱阻參數(shù)的計(jì)算帶來(lái)困難。本文在此設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)化電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，平等對(duì)待UVLED光源元件散熱性能，在計(jì)算之前，對(duì)電源的熱阻參數(shù)進(jìn)行合理地假設(shè)，將其保持在相同的密度和比熱容內(nèi)，此時(shí)，電源中各元件具有相同的熱導(dǎo)率，計(jì)算UVLED光源元件的熱阻參數(shù)。公式如下：

式中：ρ為電源熱阻密度；ρi為電源內(nèi)部各種材料熱阻密度；Vi為電源不同材料的熱阻體積。

由此獲取的熱阻參數(shù)如表1所示。由表可知，各個(gè)電源元件的熱阻參數(shù)均不相同，而UVLED光源元件恒流電源中，無(wú)論是圓柱形還是棱柱形，其內(nèi)部材料的排列較為相似，其熱阻參數(shù)是各向異性的，而對(duì)于UV?LED光源元件恒流電源來(lái)講，軸向和徑向的熱阻參數(shù)差異很大。

表1 電源元件的熱阻參數(shù)

熱阻參數(shù)的不同散熱性能也就不同，不同參數(shù)下的散熱性能如表2所示。由表可知，不同的熱阻參數(shù)下，散熱性能也不同，工藝較簡(jiǎn)單的風(fēng)冷參數(shù)，散熱性能較差；散熱性能較好的熱管熱阻參數(shù)，工藝較困難，因此，本文折中選取的熱阻參數(shù)為液冷熱阻參數(shù)，應(yīng)用于本文設(shè)計(jì)的模型中，可以提高其分析散熱性能的效果[11]。

表2 不同參數(shù)下的散熱性能

3 恒流電源散熱性能網(wǎng)格劃分

通過(guò)上文中熱阻參數(shù)的選取，本文將對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分中，UVLED光源元件恒流電源的芯片溫度最高，對(duì)溫度比較敏感，對(duì)電源的散熱性能影響最大，因此需要對(duì)芯片進(jìn)行更大密度的分區(qū)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，考慮到UVLED光源照明設(shè)備主要用于戶外，因此本文在散熱片和鋁基板的外表面增加了對(duì)流系數(shù)，當(dāng)芯片在不同負(fù)載下供電時(shí)，20%的功率轉(zhuǎn)化為光源，80%的功率轉(zhuǎn)化為熱量，因此，電源芯片的散熱性能分析是重中之重。通過(guò)以上散熱性能分析方法的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以把所有的UVLED光源元件串聯(lián)起來(lái)，使各元件的電流相同，保證電源內(nèi)各元件的亮度一致[12]。此外，在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，電源電壓必須保證與散熱器的電壓相同，使UVLED的散熱性能與散熱器完美匹配。由于本文分析方法是在恒流電源的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，因此，電源的電流始終恒定，可以保證各元件的亮度相同。從散熱性能分析的整體設(shè)計(jì)上可以看出，散熱性能的網(wǎng)格劃分較為困難，但是，本文在設(shè)計(jì)性能分析方法之初構(gòu)建了模型，在此模型中，網(wǎng)格劃分可以相對(duì)便捷，而網(wǎng)格劃分同樣可以為本文設(shè)計(jì)提供完整的建模功能，使生成的網(wǎng)格達(dá)到更高的質(zhì)量。因此，二者相輔相成，共同提高UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析效果。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了探究本文設(shè)計(jì)的散熱性能分析方法的分析效果，本文對(duì)恒流電源散熱性能模型進(jìn)行仿真，該模型分為3層，也就是3個(gè)模組，由于計(jì)算資源有限，本文選取其中一組模組進(jìn)行分析，過(guò)程及結(jié)果如下。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文采取對(duì)稱的方式，選取一組模組的UVLED光源元件恒流電源進(jìn)行分析，可以方便觀察電源熱量分布情況，同時(shí)減少分析時(shí)間和單元數(shù)。UVLED光源元件是本文研究重點(diǎn)，溫度較高，因此網(wǎng)格劃分較密集，按照使用過(guò)程中對(duì)邊界條件的設(shè)定，本文默認(rèn)為絕緣狀態(tài)。UVLED光源元件一般應(yīng)用于戶外，因此，本文將空氣對(duì)流系數(shù)設(shè)定為20.2 W/m2·K，UVLED光源元件恒流電源的性能參數(shù)如表3所示。由表可知，UVLED光源元件恒流電源的參數(shù)包括元件有緣層、元件襯底、絕緣層、基板鋁層、基板銅層、散熱基板、散熱翅片等幾部分，材料分別為GaN、藍(lán)寶石、膠膜、Al、Cu、Al、Al等。

表3 UVLED光源元件恒流電源的性能參數(shù)

此散熱長(zhǎng)度在元件表層長(zhǎng)度較小，散熱能力較弱，元件內(nèi)部參數(shù)的散熱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，散熱能力較強(qiáng)?；诖藚?shù)，對(duì)光源元件施加不同功率下的最大溫度值與最小溫度值，擬合直線如圖4所示。其中，UVLED光源元件的參數(shù)與參數(shù)之間有著明顯的熱耦合現(xiàn)象，因此溫度分布受絕緣層的影響較小，在功率為20 W時(shí)，最高溫與最低溫僅差20℃散熱性能較好。

圖4 最大、最小溫度值擬合直線

4.2 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的性能分析方法，與傳統(tǒng)性能分析方法的分析效果，對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由表可知，在功率相同的條件下，傳統(tǒng)散熱性能分析方法分析的溫差，與實(shí)際溫差相差±0.100℃左右，分析效果較差，不能有效應(yīng)對(duì)UVLED光源元件的熱效應(yīng)，導(dǎo)致電源散熱不及時(shí)，故障頻發(fā)；而本文設(shè)計(jì)散熱性能分析方法分析的溫差，與實(shí)際溫差相差±0.001℃左右，分析效果較好，可以及時(shí)應(yīng)對(duì)UVLED光源元件的熱效應(yīng)，電源散熱及時(shí)，故障次數(shù)隨之減少，符合本文研究目的。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

UVLED光源元件恒流電源是目前最具發(fā)展前景的電源，其具有體積小、使用時(shí)間長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，更是涉及光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，逐漸成為應(yīng)用最為廣泛的電源。近年來(lái)，光源元件電源散熱問(wèn)題成為其發(fā)展的阻礙，散熱性能分析效果差，導(dǎo)致電源熱事故頻發(fā)?；诖耍疚膶?duì)UVLED光源元件恒流電源散熱性能分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)模型的創(chuàng)建，設(shè)計(jì)一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，得出本文設(shè)計(jì)的分析方法分析效果更佳的結(jié)論，為UVLED光源元件的發(fā)展提供理論依據(jù)。