大功率LED典型熱沉結(jié)構(gòu)散熱性能分析

大功率LED照明屬固態(tài)照明，具有壽命長、安全環(huán)保、高效節(jié)能、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但尚有一些技術(shù)急需解決，主要為：光提取效率低、發(fā)熱量大、價(jià)格較高。目前l(fā)ed的發(fā)光效率僅能達(dá)到10％～20％，80％～90％的能量轉(zhuǎn)化成了熱量，使得大功率LED的熱流密度超過150W/cm2，而常規(guī)的銅/鋁散熱翅片一般僅能滿足50W/cm2散熱需求。如果熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，將會(huì)使LED芯片結(jié)溫升高，從而導(dǎo)致輸出光功率減小、芯片蛻化、波長“紅移”、器件壽命縮短等不良后果。因此，如何解決散熱問題成為LED推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

LED器件的散熱分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱兩部分，一次封裝散熱主要是通過改善LED自身封裝材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，二次熱沉散熱主要是通過設(shè)計(jì)開發(fā)外部的熱沉結(jié)構(gòu)對(duì)LED進(jìn)行熱控制。因此，要真正實(shí)現(xiàn)大功率LED的有效散熱，需同時(shí)解決好一次散熱和二次散熱問題。常見的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上，如圖1所示。隨著應(yīng)用LED功率的增大，出現(xiàn)了熱管散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。魯祥友等提出了一種將大功率LED散熱和回路熱管傳熱相結(jié)合的用于大功率LED冷卻的熱管散熱器，并對(duì)其傳熱性能和整體的均溫性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。袁柳林設(shè)計(jì)了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結(jié)構(gòu)，并用熱分析軟件模擬了其熱學(xué)性能及其參數(shù)的影響。唐政維等設(shè)計(jì)了一種采用半導(dǎo)體致冷技術(shù)散熱的集成大功率LED，不僅散熱效果良好，且還可以使LED器件在高溫、震蕩等惡劣環(huán)境中正常工作。PetroSki開發(fā)了一種新型熱沉來實(shí)現(xiàn)大功率LED的冷卻，該熱沉基于自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)換熱，采用圓柱結(jié)構(gòu)，周圍布滿了縱向分布的翅片，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動(dòng)力學(xué)方法（EHD）冷卻LED的裝置，由氣體放電得到離子風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流散熱，其對(duì)流換熱系數(shù)是自然對(duì)流的7倍，使熱沉溫度保持在20～30℃，并研究了不同條件下的散熱效果。LiuChunkai等人將硅基熱電制冷器（te）與倒裝大功率LED集成，研究了大功率LED的性能，證實(shí)硅基熱電制冷器的熱阻可降低至零，并能有效提高出光效率，降低Pn結(jié)結(jié)溫，是一種有效的主動(dòng)冷卻方式。

當(dāng)前眾多LED路燈示范工程中大部分采用全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。隨著微熱管技術(shù)的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到LED器件的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)中。為了研究不同熱沉結(jié)構(gòu)的實(shí)際散熱效果，本文設(shè)計(jì)了具有三種不同熱沉結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置，并對(duì)其散熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

1、大功率LED照明裝置典型熱沉結(jié)構(gòu)性能分析

1.1典型熱沉散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅰ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉肋片的熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流將熱量散發(fā)到空氣中。此結(jié)構(gòu)主要利用高熱導(dǎo)率金屬鋁合金作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用鋁肋片作為擴(kuò)展表面增強(qiáng)表面?zhèn)鳠崮芰Α?/p>

圖2：鋁熱沉型散熱器

圖3所示為具有微熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅱ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、微熱管的熱傳導(dǎo)及鋁肋片的熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流將熱量散發(fā)到空氣中。結(jié)構(gòu)Ⅱ與結(jié)構(gòu)Ⅰ的差異在于利用了極高熱導(dǎo)率的微熱管作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用多個(gè)獨(dú)立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴(kuò)展表面增強(qiáng)散熱能力，但肋片之間的間隙不能過小以至于阻礙空氣的流動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)減?。?］；且各薄鋁翅片進(jìn)行了表面鍍鎳處理，以增強(qiáng)抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導(dǎo)率極高的導(dǎo)熱元件，具有響應(yīng)快、等溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，熱阻可忽略不計(jì)。

圖3：微熱管散熱器

圖4所示為具有微熱管－風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅲ）。此結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風(fēng)扇系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)強(qiáng)迫對(duì)流散熱，當(dāng)器件溫度較低時(shí)，風(fēng)扇不運(yùn)轉(zhuǎn)，肋片進(jìn)行自然對(duì)流散熱。

圖4：微熱管－風(fēng)扇散熱器

1.2三種典型熱沉的等效熱阻模型

熱能傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射。對(duì)于上述三種照明裝置，主要利用了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流這兩種熱傳遞方式。

熱傳遞的基本方程為：

式中，λ是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)（thermaLConduCtivity）。

溫度分布為：

式中，α＝λ/ρC稱為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)（thermaLdiffuSivity）。

熱對(duì)流基本方程為：

式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也稱對(duì)流換熱系數(shù)。

根據(jù)上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴(kuò)散和電荷擴(kuò)散之間存在的類比關(guān)系，可以定義導(dǎo)熱熱阻為：

則對(duì)流熱阻為：

上述三種照明裝置結(jié)構(gòu)類似，則其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，表達(dá)式為：

式中，rtotaL為總熱阻，rjS為從結(jié)點(diǎn)到內(nèi)部熱沉的熱阻，rSP為從內(nèi)部熱沉到MCPCB板的熱阻，rPb為從MCPCB板到鋁基板的熱阻，rbh為從鋁基板到熱沉的熱阻，rha為從熱沉到空氣的熱阻。

1.3、實(shí)驗(yàn)研究及性能分析

1.3.1、實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)上述三種結(jié)構(gòu)的照明裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用k型熱電偶對(duì)鋁基板及翅片的關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行接觸式測(cè)量。測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度為31℃，風(fēng)速為0.8m/S。圖6所示為測(cè)量點(diǎn)的位置分布圖，結(jié)構(gòu)與圖3（a）結(jié)構(gòu)相同，用實(shí)線連接的點(diǎn)為熱電偶測(cè)量點(diǎn)，實(shí)線連線成斜n型分布，由對(duì)稱性畫出虛線連線，可看出其基本覆蓋特征點(diǎn)，是一種合理的測(cè)量分布。由于結(jié)構(gòu)Ⅲ的密封性，只取C、d、e、Ｇ四個(gè)點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量。

1.3.2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)得各照明裝置的基板、翅片平均溫度如表1所示。三種結(jié)構(gòu)中由LED燈到鋁基板的結(jié)構(gòu)相同，即由LED芯片到鋁基板的熱阻是相等的，不等的是外部熱沉到空氣的熱阻。所以，由鋁基板的溫度即可比較各結(jié)構(gòu)中LED芯片Pn結(jié)的結(jié)溫。由表1可知，結(jié)構(gòu)Ⅲ的Pn結(jié)結(jié)溫是最低的，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結(jié)結(jié)溫由其外部熱沉的二次散熱決定，外部熱沉的熱阻由傳導(dǎo)介質(zhì)的熱導(dǎo)率、肋片的表面總效率、空氣的對(duì)流換熱系數(shù)決定，三者都是越大越好。三種結(jié)構(gòu)中，微熱管的導(dǎo)熱率是極高的，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的，風(fēng)扇運(yùn)行后其對(duì)流換熱系數(shù)是較大的。

圖7、8、9所示分別為結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖，可以看出：（1）三種結(jié)構(gòu)各自的鋁基板和翅片溫度分布基本一致，且翅片溫度低于鋁