大功率LED散热机理及产品仿真

马成虎 贾雪

安徽省阜阳市阜阳职业技术学院

大功率LED散热机理及产品仿真

马成虎 贾雪

安徽省阜阳市阜阳职业技术学院

大功率LED;散热机理;仿真

1.引言

在节能减碳与绿能环保发展的驱使，LED（Light Emitting Diode）作为一种固态照明光源，LED照明具有种种优势：发光效率不断的持续提升、成本降低、体积小、容易与系统设计进行整合、色彩饱和度高、演色性佳、颜色逼真等。

LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，美国CREE公司的10W级别的XML2白光LED现在在358K情况下达到150.38 lm/W，其光电转换效率约为30%，则有7W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。

2.LED的特性

2.1 LED的结温

LED的基本结构是一个半导体的P-N结。实验指出，当电流流过LED元件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。结温（Tj）影响LED寿命和长期流明维持一般来说，大部份LED仅仅能承受到110～125℃，假如封装的热阻过大，则结面温度将升高，这对组件的性能是不好的。

2.2 测试材料热传导率，为了尽快将热量传导出去，选用导热系数高的材质

表格1提供几种常用机械材料的导热系数，纯铜最佳，但成本过高，不锈钢耐腐蚀性好，但导热系数和成本并不理想。铝合金综合成本与性能最佳。

表1：几种常用的灯具材料的导热系数

3.分析模型及仿真软件

图5三维模型为照明灯具配置三颗Cree公司的XPE Q5，，恒流电流1000mA，热阻低：只有9℃/W，最高结温：150℃，额定电压9.6V，此模拟实验额定电流350mA。灯体选用6063T5材料，散热方式为自然对流，灯座内安装恒流电路，为了自然模拟灯具外壳实际温度，参考点取灯口上边缘。样品的铝基板热阻约1℃/W，在室温26℃时的自然对流环境下，灯具温度测试结果如表2所示。FloEFD 2.1中文版软件模拟，灯具外壳材质6061铝合金，铝材用模具挤压成型，经普通阳极氧化来提高表面硬度及辐射率，两种材料对应的热分布结果如图：

表2 LED杯灯外壳温度测试

从图4来看，散热器的仿真温度与实验测试温度最大误差约1℃，符合实际需求。

4.LED基板和散热座的有效散热面积

为了研究散热面积的影响，利用LED球泡散热器，仅配置1颗LED光源(铝基板中心)进行分析，其余条件不变，这就相当于将散热面积增加到原来的三倍。温度分布如图5所示。

从温度分布图可以看出，散热面积增大到三倍，参考点温度从58.13℃骤降到39.09℃，增加散热面积可以有效的降低系统温度。

结论

1：LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。

2：散热器设计时，考虑成本及工艺美观性，散热面积不可能做得很大，但可以通过适当增加散热面积来降低系统温度

3：LED在灯具内布置，相同功率下，LED数量越多布置平均分散，散热面积越大，结温低，多颗布置时亮度相对单颗同功率的LED亮度会增加。

4.尽量减少P-N结区到环境温度的热量流通环节，LED可以直接固定在灯座上，减少一个环节的热阻。

[1]苏达,王德苗.大功率LED散热封装技术研究[J].中国照明电器,2007,7:1—3.

[2]立彬,陈宇,刘志强等.大功率倒装结构LED芯片热模拟及热分析[J].半导体光电,2007,28(6):769—773.

[3]楼英,周丽,张家雨等.大功率LED的光衰机制研究[J].半导体技术,2009,34(5):474—477.

贾雪：女，1986-11 安徽阜阳，阜阳职业技术学院助教，研究领域：机械设计，电子专业。

课题项目

本文系阜阳职业技术学院2012年自然科学校级项目 编号：2012JKYXM04的研究成果之一

马成虎:男,1981-06,助教,研究方向三维建模，传热学,硕士,阜阳职业技术学院。