大功率LED灯具散热器的优化设计研究

丁彩红，张天宇，罗　俊，崔亚飞，俞刘杰

（东华大学机械工程学院，上海201620）

大功率LED灯具散热器的优化设计研究

丁彩红*，张天宇，罗俊，崔亚飞，俞刘杰

（东华大学机械工程学院，上海201620）

LED的散热性能对其寿命有重要的影响，而现阶段LED的散热器设计很多依靠的是经验值。针对这一问题，文章提出一种散热器的优化设计方法。该方法首先基于大量实验数据研究了散热器翅片单一因素对散热性能的影响，然后运用正交试验法，综合分析了各因素对散热性能的影响程度，最终得到了翅片参数的最优水平组合。最后利用此方法，设计了一款新的散热器，实验表明该LED灯源芯片温度比优化前降低了6℃，并计算了优化后翅片的效率达到98.63%。

LED散热；散热优化设计；Flow Simulation；正交试验

LED作为新型光源，是一种直接把电转化成光的固态半导体器件。LED的发展在很大程度上改善了传统灯具的缺点和不足，但仍存在许多问题制约其发展，其中散热是根本性的问题。对于大功率LED灯，目前只有约15%的电能转换为光能，其余均转化为热能。LED器件的散热性比较差，致使出现LED的光输出量减少、使用寿命缩短、发出的主波长偏移等问题［1］。因此如何提高LED灯具散热能力是大功率LED灯具实现产业化亟待解决的关键技术之一。目前，国内外的文献资料绝大部分把LED的散热研究集中在芯片结到外延层的封装、外延层到基板的优化上。而很少有人对散热器散热进行全面、深入的理论研究分析，现有的LED灯具散热器多为经验化设计，散热系统的散热性能比较差，散热器翅片效率也较低，以至于目前LED灯具的散热问题仍然很严重。因而，对大功率LED灯具散热器进行热分析和热设计具有重要的现实意义。

在解决热问题的众多方法中，运用热分析软件对传热体进行实体建模与仿真分析是解决器件散热问题的最有效方法之一［2］。本研究选用Flow Simulation软件对所选灯具先建模，后仿真计算，得出温度分布情况，然后分析单一因素对翅片散热的影响，运用正交试验得出各因素对散热性能影响的大小。最后在实体模型的基础上对散热结构进行优化，并验证了优化方案的效果［3］。

收稿日期：2015-06-22修改日期：2015-07-14

1　LED灯具试制与模拟

本研究选用现有4款光源相同，但散热结构不同的LED灯作为模型。4款灯的光源由18颗相同的LED横向阵列分布，每颗LED的额定功率为1 W，实物如图1所示。

运用FlowSimulation对4款LED灯具进行散热分析。首先，在定义环境参数和灯具各部分材料属性及热源属性后划分网格。其次，在芯片上施加热源载荷，在各个装置的散热器和翅片部分加载对流载荷，将未施加载荷的面视为绝热，最后设置运算目标，采用稳态分析进行计算［4-6］。模拟温度云图如图2所示。

通过这4款灯具散热器翅片的基本参数和输入功率，可以估计其单位功耗面积。同时，对比4款灯具的LED芯片温度和翅片效率，结果如表1所示。

为了进一步降低芯片与散热器末端的平均温度，优化翅片效率，本研究继续做了相关实验。

图14　款LED灯

图24　款LED灯温度分布云图

表1　4款散热器的散热参数

2　翅片散热影响因素分析

2.1翅片散热单一影响参数的分析

散热器本身材料的性能对散热性能有着很大的影响，如导热系数、比热容、辐射率等，但这些因素在散热器材料选定时就固定不变了。本节通过大量的实验数据，重点分析了散热器的翅片高度、翅片间距、翅片厚度、底板厚度这4种因素对散热器散热性能的影响。散热器采用的矩形翅片结构，均布于散热器底部，如图3所示。

初步确定散热器各参数初值翅片厚度S为1 mm、翅片高度H为15 mm、翅片间距J为3 mm、底板厚度K为1.5 mm，再通过改变某一参数，其余参数保持不变，来分析LED芯片结温变化情况。由图4分析可知：①芯片温度随着翅片厚度的增加呈现不规则的趋势上升，这是因为散热器翅片数目随着翅片厚度的增加而相应的减少，致使散热表面积减小；②芯片温度随着翅片高度H增加呈指数函数规律减小；③芯片的温度随间距J的增加呈不规则的上升趋势，这是因为散热器翅片的数目随着翅片间距的增加而相应的减少，致使散热表面积减小；④芯片温度随着底板厚度K的增加呈线性下降趋势。综合考虑芯片温度、散热器质量、散热效率、加工难度，在接下来的优化设计中，翅片厚度选择在0.5 mm～2.0 mm的范围内，翅片高度选择在5.0 mm～15.0 mm的范围内，翅片间距选择在2.0 mm左右，散热器底板厚度选择在1.5 mm～2.5 mm的范围内。

图3　散热器结构及尺寸

图4　单一因素实验LED芯片温度曲线

2.2多因素影响的正交试验

把影响散热器散热性能的翅片厚度、翅片高度、翅片间距、底板厚度、4个参数作为因素，分别记为因素A、B、C、D。每个因素取4个水平，以散热器模型质量和LED芯片最高温度为指标，采用 L10正交表模拟实验［7-10］，再利用热仿真软件对每组试验进行计算，所得结果如表2所示。

表2　正交试验结果表

由参数优化实验中的正交实验表可知，仅改变散热器的结构，芯片最高温度最低的为51.47℃，芯片最高温度最高的可达67.43℃，相差了16℃之多，可见散热器的结构对大功率LED灯具的影响很大。

对正交试验表具体分析：

（1）分析散热性能最好的试验4和试验11，两组试验的芯片最高温度差0.79℃，两组试验散热器的底板厚度一样，试验11翅片厚度是试验4的两点五倍，翅片高度是试验11的三分之五，两者散热能力差不多。在散热器宽度尺寸不变的情况下，翅片间距和翅片厚度可以决定翅片数目。由此可知，试验11中翅片很长，间距也合适，但翅片数目较少，需要通过增大翅片高度来提高散热能力，使得翅片外形粗而大，导致散热器质量明显增大。可见，选择合适的翅片高度与翅片数目相匹配尤为重要。

（2）比较试验3、5、12、16，由其翅片间距和翅片厚度计算出翅片数目皆为12、翅片高度不同，而芯片最高温度相差不超过6℃。这说明在一定程度上翅片的间距和翅片厚度确定之后，该散热器的散热能力就确定在一定范围内了，这时再通过确定翅片高度和底板厚度使散热器的散热能力达到最佳。

对表2进行数据处理，如表3所示，表中Kij表示正交表中第j列上水平为i的各个试验指标的加和；j表示验水平i在正交表中第j列的平均值，其中s为第j列上水平号i出现的次数；

表3　正交试验数据处理

从试验方案的极差入手分析，一般情况下，每列每个水平的极差对是不相等的，说明各列中因素水平的改变对试验指标的影响是不一样的。极差越大，则该因素水平的改变对试验指标的影响越大。由表3可得：

说明，对于设计的正交试验中各因素对指标即芯片温度的影响主次顺序为：

3　散热结构优化设计

3.1确定最优方案

图5表示了各因素水平对芯片温度的影响，对于主要因素A（翅片厚度）和因素B（翅片高度），都选择了具有最优的水平2和水平4；而对于次要因素C（翅片间距）和因素D（底板厚度）则选择了温度最低的水平，因此得到最优的试验方案为A2B4C2D4，即翅片厚度1.5 mm，翅片高度25 mm，翅片间距2.0 mm，底板厚度3.0 mm。

图5　各因素水平与芯片温度关系图

3.2基于Flow Simulation的验证

对得到的最优设计方案，利用FlowSimulation软件进行仿真模拟得到散热器模型的温度分布如图6（b）所示。

图6　第4款灯具优化前后温度对比图

结果显示散热器质量为2.147 kg，芯片温度只有41.84℃，散热器末端温度为26.82℃，都比优化前的要低（优化前芯片温度48.66℃，散热器末端温度34.95℃），说明散热性能明显提高；根据相关公式［11］经过计算该款散热器翅片效率ηi=98.63%；散热器翅片散热量φ=20.52 W；未安装翅片时翅片基部的散热量φ无短片=λA0θ0=8；=2.69倍。另外，从温度分布图上看芯片附近高温区域很小，整个散热器及内部温度分布均匀，芯片与散热器近端温差和散热器末端与表面空气温差都比优化前高，说明优化后灯具热传导性能和对流传热性能都有所提高。

4　结束语

针对目前大功率LED灯散热器的问题，本研究针对一款大功率LED灯散热器进行了热分析和热优化设计，分析研究了影响LED散热器翅片性能的因素。并借助Flow Simulation软件对LED灯具进行热仿真分析，结果显示要增加散热器的性能可以：

（1）增加散热器翅片厚度来减小热阻；

（2）增加散热器翅片高度来增加散热面积；

（3）翅片间距与底板厚度对芯片温度影响相对较小。

最后，本文针对研究结果提出了散热器优化方案，该方案的散热器翅片效率和散热表面积都很高，翅片结构合理，芯片温度比正交试验中的16组方案的芯片温度都低，散热倍数较高，说明方案的散热效果较好；计算得的LED结温也是最低，因此该试验方案为最优的试验方案。

［1］ 李炳乾.1W级大功率白光LED发光效率研究［J］.光电器件，2005，26（4）：314-316.

［2］ 刘雁潮，付桂翠，高成，等.照明用大功率LED散热研究［J］.电子器件，2008，31（6）：1716-1719.

［3］ 刘红，赵芹，蒋兰芳，等.集成式大功率LED路灯散热的结构设计［J］.电子器件，2010，33（4）：481-484.

［4］ 游志.大功率LED散热鳍片扩散热阻研究［J］.电子工业专用设备，2010，（188）：37-56.

［5］ 张师帅.计算流体力动力学［M］.武汉：华中师范大学出版社，2011：10-12.

［6］ 陶文铨.数值传热学［M］.第2版.西安：西安交通大学出版社，2009：1-6.

［7］ 徐仲安，王天保，李常英，等.正交试验设计法简介［J］.科技情报开发与经济，2002，10：148-150

［8］ 郝拉娣，张娴，刘琳.科技论文中正交试验结果分析方法的使用［J］.编辑学报，2007，19（5）：340-341.

［9］ 李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理［M］.化学工业出版社，2005：79-112.

［10］ Lan Kim，Jong Hwa Choi，Sun Ho Jang.Moo Whan Shin Thermal Analysis of LED Array System with Heat Pqie［J］.Thermochimica Acta，2007：21-25.

［11］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006：58-71.

丁彩红（1973-），女，汉族，浙江舟山人，东华大学机械工程学院教师，副教授，硕士生导师。主要研究方向为机械结构设计和故障诊断技术等；

张天宇（1989-），男，汉族，江苏南通人，东华大学硕士研究生，主要研究方向为LED器件散热研究，zhangtianyu218@sina.com。

Optimization Design Research on High Power LED Lamps of Radiator

DING Caihong*，ZHANG Tianyu，LUO Jun，CUI Yafei，YU Liujie
（College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

LED heat dissipation performance has a crucial effect on their life.However，many radiator design methods of LED still rely on experience value at this stage.To address this problem，a kind of optimization design method of the radiator is presented.Firstly，the radiator fin single factor effect on the performance of heat dissipation is studied based on a large number of experimental data.Secondly，the impact of various factors is comprehensively analysed on cooling performance with the orthogonal experiment.Finally，the optimal level combination of the fin parameters is obtained.At last，a new radiator was designed based on this method.And the experimental results indicate that the temperature of the LED light source chip reduces 6℃after optimization，the efficiency of the optimized fin reached 98.63%.

led heat dissipation；thermal optimization design；flow simulation；the orthogonal experiment

TM923.02

A

1005-9490（2016）03-0750-05

EEACC：4260D；7210X10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.049