LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問(wèn)題研究（一）

本文綜合研究了邊界條件設(shè)置、熱阻計(jì)算、熱量載荷分析和散熱器等仿真建模的關(guān)鍵問(wèn)題，并與實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量相結(jié)合來(lái)驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該方法對(duì)室內(nèi)照明LED 燈具能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的散熱分析，仿真溫度誤差在4℃左右，仿真結(jié)果對(duì)LED 燈具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

0 引言

LED 屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件，受目前LED 芯片的生產(chǎn)制造水平限制，LED 高功率產(chǎn)品輸入功率僅有約20%~30%轉(zhuǎn)換為光能，剩下的70%左右均轉(zhuǎn)換為熱能。結(jié)溫升高會(huì)影響LED 的壽命、光效、光色(峰值波長(zhǎng))、色溫、配光、可靠性、發(fā)光強(qiáng)度、正向電壓等，而這些均是影響照明質(zhì)量的重要因素。

為了控制LED 燈具的溫升，保證燈具的壽命和可靠性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)照明用LED 燈具散熱設(shè)計(jì)的相關(guān)研究已有不少，尤其是利用有限元流體力學(xué)CFD 仿真軟件進(jìn)行散熱模擬仿真分析，可以全面分析LED 燈具的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射，分析求解LED 燈具內(nèi)外的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等，非常適用于目前LED 照明燈具散熱模擬仿真。

本文將從邊界條件(環(huán)境溫度、重力方向等)、熱阻計(jì)算、熱載荷分布和形式、散熱材料導(dǎo)熱系數(shù)和輻射率等幾個(gè)方面，分析LED 照明燈具散熱仿真建模中的關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室溫度測(cè)量驗(yàn)證模型仿真結(jié)果的精度。

1 邊界條件

1.1 環(huán)境溫度

仿真分析了5W HLA60LED 球泡燈在環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45和50℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況，圖1~3 給出的是LED 工作溫度(圖中，max表示LED 最高工作溫度，avg表示LED 平均工作溫度，下同)、散熱器平均溫度、電源溫度隨著環(huán)境溫度的變化而呈現(xiàn)出的溫度變化趨勢(shì)圖，從仿真結(jié)果圖中可以看出，LED 最大溫度和平均溫度、散熱器平均溫度與環(huán)境溫度呈線性變化關(guān)系，即環(huán)境溫度越高，LED 最大溫度、散熱器平均溫度也越高。但它們之間關(guān)系不是純粹的線性疊加，比例系數(shù)約為0.8.

1.2 重力方向

熱量具有與重力反方向的傳遞趨勢(shì)，圖4所示為5W HLA60LED 球泡燈采用三種不同安裝方式的溫度仿真分析效果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)燈具溫度場(chǎng)因重力方向不同而發(fā)生了明顯的變化。因此在仿真過(guò)程中，要明確LED 燈具的安裝位置和方式。

2 熱阻

熱阻(Rth)是指熱量在熱通道上遇到的阻力，可通過(guò)材料導(dǎo)熱系數(shù)(K)來(lái)計(jì)算：

式中，犔表示熱通道路徑的長(zhǎng)度，犃表示熱通道有效橫截面積。

熱阻分為導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。當(dāng)熱量在同一物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)熱量流過(guò)兩個(gè)相接觸固體的交界面時(shí)，界面本身對(duì)熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何表面接觸良好的兩物體，實(shí)際接觸面積只是交界面的一部分，其余部分都是縫隙，熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。

對(duì)于部分熱通道材料層因其厚度很小，在建模過(guò)程中可不體現(xiàn)出來(lái)，而采用等效面接觸熱阻替代，便于散熱建模CFD 仿真分析。例如：

(1)采用回流焊工藝將LED 光源焊接到鋁基板上，LED 光源燈珠與鋁基板間設(shè)置接觸熱阻?；亓骱笇拥闹饕牧铣煞譃殄a(96%)，厚度一般為0.1~0.15mm,導(dǎo)熱系數(shù)為60W/(K·m)。

(2)如圖5,鋁基板由導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層構(gòu)成，導(dǎo)電層厚度微小、導(dǎo)熱率好，因此可忽略不計(jì);主要熱阻由導(dǎo)熱絕緣層決定，導(dǎo)熱絕緣層厚度小、導(dǎo)熱率差，而金屬基層厚度大、導(dǎo)熱好，若二者按同一材料體設(shè)置，仿真結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。LED燈具散熱建模仿真關(guān)鍵問(wèn)題研究（一）" src="/uploa