大功率LED路燈的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化

摘要：為了達(dá)到對大功率LED路燈產(chǎn)品既降低制造成本(散熱器質(zhì)量)又加快散熱的目的，優(yōu)化了LED路燈散熱器結(jié)構(gòu)。在對原有結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模及熱分析的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)分析了散熱器中平板厚度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度4因素對產(chǎn)品質(zhì)量與散熱效果的影響，并研究了同一結(jié)構(gòu)下熱傳導(dǎo)與熱對流兩種方式對散熱的影響，最終得出了一個(gè)較為理想的優(yōu)化結(jié)果。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，改進(jìn)后的散熱器最高溫度較原始模型下降了11℃以上，同時(shí)，質(zhì)量降低了約15．3％。
關(guān)鍵詞：大功率LED路燈；熱分析；散熱結(jié)構(gòu)；ANSYS

目前，LED照明產(chǎn)品正在逐漸取代傳統(tǒng)的照明燈具成為主流照明產(chǎn)品。對于高功率的LED路燈而言，光效是燈具設(shè)計(jì)師關(guān)注的重點(diǎn)，然而，LED模組的低結(jié)溫是實(shí)現(xiàn)長壽命和高光效的至關(guān)因素。現(xiàn)實(shí)中，有很多關(guān)于路燈早期失效的報(bào)道，稱之為死燈，這對公共照明來說是一個(gè)極大的制約。因此，如何降低大功率LED產(chǎn)品的結(jié)溫是研究熱點(diǎn)問題之一。
眾所周知，LED光電轉(zhuǎn)換效率制約在15％～20％，其余的電能幾乎全部轉(zhuǎn)換成熱能，因此在LED產(chǎn)品工作時(shí)，將會產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成路燈時(shí)，熱量的聚集效應(yīng)更為嚴(yán)重。若不將此熱量盡快散出，隨之而來的熱效應(yīng)將非常明顯。這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。
本文利用有限元分析軟件ANSYS對LED路燈進(jìn)行了熱分析，對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，達(dá)到了降低制造成本又加快散熱的效果。

1 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模
通常條件下，熱量的傳遞有3種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。因輻射散熱量非常小，所以本文主要討論傳導(dǎo)和對流2種傳熱方式。
在LED路燈中，熱傳導(dǎo)主要表現(xiàn)在封裝結(jié)構(gòu)與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來體現(xiàn)。因此，在大功率LED路燈中，外部散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱能力。
在制作LED路燈時(shí)，通常將封裝好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB與外部的散熱器通過采用導(dǎo)熱粘合劑以及機(jī)械緊固件法等固定在散熱器上，如圖1所示。熱量的主要傳輸通道為：PN結(jié)-Cu柱-MCPCB-散熱器-空氣(環(huán)境)。

本文主要考慮散熱器對散熱的影響，采用的散熱器結(jié)構(gòu)為一塊帶有很多散熱翅片的熱的良導(dǎo)體，通過具有一定厚度的“導(dǎo)熱板”固定住裝載有LED光源的MCPCB，實(shí)物如圖2所示，主要參數(shù)見表1。

首先，根據(jù)燈具、封裝光源等實(shí)際尺寸，在有限元模擬分析軟件ANSYS中建立模型如下。
在此模型中，考慮到燈具傳熱的主要途徑，忽略了封裝光源的引腳對散熱的影響。同時(shí)，由于封裝用的環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率只有0.2W／mK，在這里作絕熱處理。另外，假設(shè)各接觸面均為理想接觸界面，即不考慮界面熱阻。在模擬過程中，邊界條件設(shè)置如下：芯片功率為1 W，光電轉(zhuǎn)換效率設(shè)置為15％，與空氣對流系數(shù)設(shè)為5，散熱體黑度為0．5，環(huán)境溫度為25℃。