大功率LED灯的散热性能分析

朱中平

摘要：近年来，LED灯在照明领域应用的越来越广泛。LED灯在产生光能的同时，也有一部分电能转换成热能导致LED灯具内部温度升高，当灯具内部温度超过允许界限之后可能会降低LED的发光效率、烧坏LED晶片、缩短其使用寿命，并且LED的产热量与LED的功率成正比。可见散热问题是大功率LED应用和发展的最大阻碍，而如何使这部分热量快速散发出去是业内人士普遍关注的问题。关键词：大功率：LED灯;散热性能

中图分类号：TN312

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）03-0101-02

0引言

以大功率LED灯具热管理为入手点，从芯片级、封装级、系统集成散热级3个方面，对大功率LED灯散热结构进行了简单的分析。并依据大功率LED灯运行热性能影响因素，对大功率LED灯散热性能优化进行了进一步探究。

1大功率LED灯的散热分析

LED灯的发热源：成品LED的光源就是LED的发热源，LED输入功率的70%左右将以热量的形式发散出去。从照明原理及其基本架构来看，可概括为“一源两面i6.源”指的是LED的光源，用来充当照明所需的光输出;“两面”分别指发光面和发热面。导热器件及均热器件：导热器件及均热器件通常是指PCB板子上的金属（一般为铝材质的）部分，常被称作“一次器件”。导热器件和均热器件的主要功能是将LED在放光过程中产生的热能导出来，同时将所有热点的热量均匀化，从而提高整体的散热效率。散热器件：大功率和中等功率的LED照明灯的散热器件主要由铝材构成，通常被称作“二次器件”[1。散热器件采用专门的铸造工艺，如利用压铸、挤压、锻造以及表面涂覆等工艺制造，热量最终在空气对流的作用下被发散掉。此外，超大功率的LED灯还可以应用热管散热器技术来增强散热能力。

2大功率LED灯的散热性能影响因素

2.1翅片几何参数及位置

一方面，在翅片达到额定高度之前，随着翅片几何高度的提升，大功率LED灯散热性能也不断提升。同理在翅片达到额定厚度之前，随着翅片厚度的增加，大功率LED灯散热效率也不断提升[2]。另一方面，大功率LED灯散热翅片高度、宽度、间距具有一致性，而其在长度、数量等方面的差异，也直接影响了大功率LED灯散热性能。从大功率LED灯芯片温度变化角度进行分析，芯片四侧面翅片散热效果远高于上表层一翅片散热效果。

2.2工作环境温度

大功率LED灯工作外部温度也对大功率LED灯表面散热效率具有一定的影响。一般来说，在大功率LED灯表面与外界环境温度差异较大时，大功率LED灯可达到最优散热效率。

2.3散热器材料类型

大功率LED灯散热片主要以对流、热辐射2种模式进行热量散出。而在自然空气对流的背景下，若选择导热性能良好的大功率LED灯散热片材料，则可提高大功率LED灯散热器散热效果。

3大功率LED灯的散热性能优化

3.1大功率LED灯散热结构优化设计

一方面，基于翅片结构的散热结构优化，以某型号大功率LED灯散热片为例，依据翅片高度、长度对大功率LED灯散热性能仿真模型分析结果，可得出当大功率LED灯散热器翅片高度在0.05～0.07m之间时，芯片温度波动较大，而大功率LED灯散热器翅片高度在0.071～0.11m时，芯片温度波动趋于平缓。据此，综合考虑大功率LED灯散热片形状及成本因素，在散热器内部结构优化过程中，可控制大功率LED灯散热器翅片高度在0.05～0.11m之间[3]。同理，依据大功率LED灯长度与大功率LED灯散热性能有限元分析结果，可控制大功率LED灯散热器翅片长度在0.030～0.120m之间。另一方面，基于自然LED影视平板的散热结构优化设计。以LED安全温度范围为依据，可采用18颗集成式LED光源，以3组的形式合理设置在LED光源传热面层上。在每组集成LED光源间可设置整体式凹槽，凹槽底部可设置散热器支撑板，将整体散热器划分为2个模块，即LED光源安装区域、LED热量散发区域。而在LED光源凸出模块两端可分别设置排列式缺口，便于散热器安装位置与LED光源位置的有效对应。在具体运行过程中，基于自然影视平台的LED散热结构散热器、LED光源区连接通道主要为缺口、通孔。而整体LED灯具散热系统传热载体为LED基板，即LED灯具中温度最高位置。由LED芯片出發，通过缺口、通孔传输到LED基板中的热量，大多以散热器→散热片→空气为散热线路;而在LED灯具基板之外的热量，由于LED高温基板的影响，区域内多余热量可通过散热片热量通道散出。为了确定基于自然衍射平台LED散热结构具体数据，可在LED灯具热平衡后，放置在温度为32.0"C，湿度为55.0%，且无风扇或其他通风装置的恒定温湿度区域内，采用红外线测温仪对改造后LED灯具、改造前LED灯具各结构模块热分布情况进行探测，通过对LED改造后结构各模块热分布情况分析，可进行空气冷热交换流动模拟，从而得出具体通孔、缺口设置数据。此外，在大功率LED灯散热片结构中，每一组散热器翅片组合均具有一最高值，且相应散热器翅片组合数量、间隙距离也与大功率LED灯散热性能具有一定联系。因此，为保证大功率LED灯散热翅片间空气正常流通，可控制大功率LED灯散热片数量在12～16片之间。

3.2大功率LED灯散热体材料选择

散热体材料对大功率LED灯散热性能的影响主要体现在不同散热材料导热系数间差异。从定性层面进行分析，随着导热系数的增加，大功率LED灯表层热阻会逐步下降，进而提高整体散热体热量传导效率。常见的大功率LED灯散热体材料主要包括银、铝、铝合金、铜等几种材料。其中，银的导热系数最大，为429.0W/（m.K），铝合金的导热系数最小，为155.0W/（m·K）。若单一从导热系数角度进行分析，银为大功率LED灯最佳散热体材料。但是由于银柔韧性不足，无法使散热器稳定运行。同时，考虑到性价比、硬度等因素，可选择铜或者铝作为大功率LED灯散热体主要材料。一般来说，若存在250W或以上的LED灯具，可在铝材料应用的基础上，添加适量的铜作为散热材料。而在现有LED灯具中，常采用铝作为散热材料。此外，在电子设备材料发展过程中，大功率LED灯散热体材料类型也逐渐增加。在保证大功率LED灯架构紧缩性能的前提下，可采用MAP系列高导热系数软性硅胶导热绝缘垫作为大功率LED灯散热体材料。以MAP-05为例，其作为大功率LED灯表层缝隙填充材料。MAP-05优越的质地，可在极低压力下、高温160.0°C环境中保持良好的传热性能。同时，软性导热硅胶绝缘垫片状材质，还可以根据LED灯发热功率器件大小、形状进行随意更换，是较为优良的导热材料。

3.3大功率LED灯温度试验及数据分析

大功率LED灯温度试验主要是采用现代加工技术，针对最终优化灯具模型，选择同样的数据尺寸信息进行样品制作。同时，选择额定功率为1.5W的LED芯片，共计50颗阵列式排布在铝基板上，开展稳态温度试验。温度试验主要采用优化后大功率LED灯具整机实验方式，将试验样灯放置在48°C恒温试验箱内。并向试验箱内连接220.0V电压线，持续运行24h后，使用温度测试仪测试样灯表层温度。通过实验对比分析，可得出由于测试环境、设备、接线盒等因素的影响，优化后实际温度试验、有限元模型仿真试验结果具有一定误差，总体数据分布规律相差不大。据此，在后续大功率LED灯优化后结果分析过程中，可选择有限元模型仿真的方法进行数据分析。

发光二极管即LED是当前应用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效节能、使用寿命长、对环境几乎不产生污染等优点，在各大领域得到了非常广泛的应用，并成为了21世纪发展前景最广阔的光源之一。但是对于功率较大的LED来说，其本身在发光的过程中会产生过多的热量，如果这部分热量无法及时发散，则会很大程度地损坏LED。为此，文中总结了优化散热片、加装热管或均温板、优化界面材料和加装散热风扇等方法来提高LED的散热效率。

参考文献

[1]王长宏，谢泽涛，邹大枢，等.大功率LED散热器的数值模拟与优化[J].电子元件与材料，2015，34（6）：44-47.

[2]廖绍凯，梅甫良，林广平，等.阵列式大功率LED灯散热分析与优化[J].机电工程，2015，32（2）：290-294.

[3]李加，葛志晨，徐和辰，等.大功率LED灯具翅片式散热器结构分析与优化[J].中国照明电器，2016（3）：122-123.