LED汽车前大灯散热与光衰研究

敖卓强

中山易事达光电科技有限公司 广东 中山 528467

1 汽车前大灯散热技术分析

由于半导体材料的材质对工作环境温度较为敏感，特别是 LED的工作环境中，其通常温度升高较快、发热量大，导致半导体的光转化能力效率相对很低，通常开始时能够将电能转化为光能的约10%～20%的电能可以转化成光能，其余电能则通过热能的形式进行释放，所以导致大量热量产生。因此需要加强LED前大灯的散热技术的运用，使半导体使用寿命延长。

汽车的前大灯所处的环境中包括了高温引擎、水箱、排气系统等，其产生的热能使LED的外界环境温度不断升高[1]。与传统车灯灯泡所产生的热量相比，是LED灯泡所产生热量相对较低，其内部运用了均温设计，灯泡输出亮度不会因环境温度升高或本身热量变化而发生变化。另外半导体材料的PN结温温度与LED光源输出有联系，其高温热量会使半导体材料PN结温温度不断提升，因散热效果不理想会降低LED的发光效率，降低其亮度，使半导体寿命大幅缩短。因此加强LED的散热的效果，是LED中光源设计的主要研究内容。

针对前大灯的散热技术，主要包括了主动和被动散热两种，其中被动散热是在指在进行大功率LED电路板安装时将其固定在散热器上的一般散热设计，当LED开始工作时，其热量由电路板传导至散热效率较好的散热器上，通常采用铝制品散热翼片，利用与空气的大面积接触，从而起到传导散热的作用。同时在中间通过一定导热介质的填充，使散热器与电路板之间的热量阻隔有效减小。另外还应对翼片形状和面积进行合理选择，从而使LED大灯散热器能够充分满足散热要求。主动散热指的是采用风冷、液冷及热管等的主要散热方式，其中热管散热主要借助于高导热性能的传热元件，处于全封闭的真空管中的液体通过蒸发、凝结的方式进行整体热量的传递；采用液冷方式，需要在泵带动下，使液体进入强制循环状态，并将整体散热器的热量带走。上述两种主动散热方式由于各结构部件制造工艺较为复杂，导致成本造价偏高。所以较为常用的散热方式为风冷散热。由于与上述两种方式相比，风冷安装简单、造价较低。另外对于被动散热的方式中，出现的散热器中心区域温度过于集中的问题，可采用风扇强制的方式，使对流增强，从而使散热器温度不均匀的问题得以缓解。

通常为了使散热器的散热效率提高，会在双面敷铜层的印制板上进行LED的焊接，通过将LED底座与PCB的敷铜层焊在一起，从而形成简单的散热结构，利用大面积敷铜层作为散热面，提高散热效率。另外前大灯散热主要通道包括了管芯、铜PCB基板、陶瓷基板、机壳、散热，以及环境空气。在进行LED热传导时，所采用的各种材料存在着不同的导热性能，产生不同的热阻隔效应，其中热导率系数较高的主要有：氮化铝陶瓷基板、金锡焊层、铜PCB基板、锡合金焊层等，其呈现出较好的散热性能和导热性能，此类散热结构的总热阻较其他常规结构整体总热阻要低。

2 汽车车灯环境系统设计分析

目前采用的LED光通量输出较低，在进行LED车前大灯应用时，需要对其配光要求和电学光学的整体稳定性进行充分考虑，因此需要对前大的模组里所需的LED元件进行分析和确定，从而使车灯的整体需求得以有效满足。在进行前大灯近光设计时，将散热器与铜PCB基板进行紧密贴合并加以固定，能够使性价比提升，同时使用更加简便，能够起有效散热的作用[3]。

根据灯体的安装空间以及发动机舱内的分布，散热器可划分为内置和外置灯体散热器设计两部分。在内置散热的装置中，包括了内置散热器，其能够将热量传导至外置散热设备上；在车灯内壳上进行外置散热器的设计，在汽车行驶时通常LED前大灯才会打开，通过发动机舱内产生的强对流风冷作用，有效降低温度，并借助对流原理使散热功能实现。在车灯的外壳边缘处即车前盖缝隙处，在行驶的过程中，缝隙内会进入一定气流，当气流进入后再经过外置散热翼片，利用外置散热器能够对内置起到降温作用。另外为了进一步增强空气流动，可在散热片背面进行风扇的安装，利用风扇装置进一步促进外界热空气与强制对流之间的有效交换，使散热器热量交换加速，流动的空气能够从PCB板面上将热量直接带走。但由于灯体空间较为狭小，并且内部处于禁封状态，因此较难与外界空气形成有效对流状态，通过风扇产生的强制对流，在风冷系统中，能够提高周围环境与散热器中心地区的交换效果，使灯体内部和灯体的外壳温度处于接近状态，使预想效果得以达成。

3 散热与光衰试验研究

根据光源温度以及光衰的不同散热方式，并基于LED散热良好的基础上进行相关实验，针对试验中所出现的不同效果变化利用一定的线段点法进行记录，在记录过程可以发现：在不同散热的情况下，采用加热器散热、PCB散热的被动散热器与采用强制对流的主动散热器的散热效果之间存在较大差异[4]。实验主要针对车灯外壳环境温度进行采集，并将其作为LED光源温度，对车灯外壳进行温度测试时，对不同环境温度进行记录，实现LED光源的光通量数值测量获取。通过相关数据显示可以看出，当环境温度处于60℃以下时，LED光源亮度呈现出光衰缓慢的情况，当环境温度超过100℃时，LED光源光衰逐渐呈现快速衰减的态势。

4 结束语

本文对LED汽车前大灯散热及光衰进行研究中发现。LED会使光衰现象的加剧，直接影响发光效率，同时LED自身的PN结的结温不断升高，也使其使用寿命不断缩短。在实际应用中通常运用多个LED芯片进行陈列，所以加强LED散热架设计至关重要，能够对结温进行有效控制，使其使用寿命有效延长。