大功率LED散熱技術(shù)研究

王 飛

（上海鐵路經(jīng)濟開發(fā)有限公司 上海 200000）

大功率LED散熱技術(shù)研究

王 飛

（上海鐵路經(jīng)濟開發(fā)有限公司 上海 200000）

近年來，鐵路站場大功率LED照明燈具，具有節(jié)能環(huán)保、壽命長和發(fā)光速度快等特點被廣泛使用。但是大功率LED光源中80%以上的的電能其實是轉(zhuǎn)化成熱量。而僅靠芯片封裝設(shè)計不足以使LED的熱量都發(fā)散出去，所以對大功率LED燈散熱器的研究具有非常重要的意義。本文通過理論設(shè)計和實驗，將大功率LED在環(huán)境溫度為22℃條件下，將LED的結(jié)溫從80℃降至50℃以下。

大功率LED；照明系統(tǒng)；散熱技術(shù)；封裝散熱

引言

LED現(xiàn)在主要應(yīng)用于大型儀器儀表、汽車前后燈光、電子通訊和自動化控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。發(fā)光效率和發(fā)光強度高的大功率 LED已經(jīng)逐步被應(yīng)用于公路、鐵路和機場的交通信號燈系統(tǒng)，LED露天大屏幕和家里的彩色電視的顯示器等上面。 上海局從2009年開始試驗分析，2011年開始試用，2012年～2016年逐漸推廣應(yīng)用，截止2016年底，上海局已經(jīng)累計改造了400 W的大功率燈具約3000盞，總投資約一千多萬。鐵路站場大功率照明燈具的改造給上海局節(jié)能降耗方面的工作帶來了非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。

LED是靠電子在不同的能級間躍遷而發(fā)光，同時LED發(fā)射出的光中不含熱紅外線，所以發(fā)光產(chǎn)生的熱量不能散射出去，所以LED是一種冷光源。對于大功率LED而言，器件溫度的上升會引起LED內(nèi)電子電路等機能的變化和衰減。主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）大功率LED的發(fā)出光量度下降，發(fā)出的光的能效降低；當(dāng)下大功率LED發(fā)光的效率只能達到20%下，剩余80%以上轉(zhuǎn)換成了熱能。如果大量的熱量不能實時有效的發(fā)散出去，那么就會嚴重影響元器件的壽命，同時發(fā)光的效率也同步降低。（2）大功率LED燈整體的可靠性和穩(wěn)定性下降；當(dāng)熱量不能及時散出時，就會導(dǎo)致芯片溫度升高，引起元器件熱應(yīng)力的非均勻分布，當(dāng)溫度超過元器件的使用溫度時，元器件的故障率會呈現(xiàn)指數(shù)級上升，元器件的穩(wěn)定性也將快速下降。（3）大功率LED燈的壽命縮短；熱量不能散開，會導(dǎo)致焊料熔化，加速芯片的故障上升，壽命因此縮短。

大功率LED散熱存在的問題，主要通過以下方法解決：一是通過LED內(nèi)部芯片自帶的封裝形式和方法進行散熱,二是通過在大功率LED外面連接可導(dǎo)熱的散熱器等方式來散熱。目前,為了解決大功率LED的散熱這一技術(shù)難點,在散熱器的設(shè)計結(jié)構(gòu)、原料使用和加工工藝等方面對散熱器的熱設(shè)計進行不斷地優(yōu)化和改善。散熱器的散熱方式有以下三種：

1 熱傳導(dǎo)

物體內(nèi)的分子、原子、電子和其他粒子的布朗熱運動而形成的熱能傳遞被稱為熱傳導(dǎo)。比如，兩個有溫差的物體接觸，熱量會從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，或者一個物體內(nèi)部從高溫到低溫度的熱量傳遞變化，都是熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達式為:

Φ—熱流量；

ρ—導(dǎo)熱系數(shù)；

A—與熱流方向垂直的截面面積

若兩個表面的溫度分別為t1和t2，壁的厚度為δ，則由傅里葉定律可推導(dǎo)出：

由上式可得：

導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的固有屬性，與物體的物理狀態(tài)、化學(xué)成分等因素有關(guān)。一般來說，金屬物質(zhì)比非金屬物質(zhì)導(dǎo)熱性高。

2 熱對流

熱對流是指流動的流體與其相作用的固體外表所形成的熱量轉(zhuǎn)移過程。自然對流是指冷熱和密度有差別的流體或者流體中有溫差所引起的熱量流動；強迫對流則是指由于在外部力量的誘導(dǎo)下而使流體開始流動變化。按流動性質(zhì)可分為層流和紊流。我們一般根據(jù)Re（雷諾數(shù)）的大小，來判斷流體是層流還是紊流。

圖1 層流

圖2 紊流

由牛頓冷卻公式可得：

式中：α—對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

A—換熱面積；

Δt—流體與壁面的溫差；

上式可改寫成：

由此可得，

3 熱輻射

熱的輻射是指物質(zhì)以電磁波的形式向外發(fā)出具有一定能量的微粒子的過程。當(dāng)物體溫度高于絕對零度時會不斷向外熱輻射熱量。同時，物體會吸收周圍物體產(chǎn)生的熱輻射，物體吸收的輻射能量又轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼臒崮?，這個過程被稱為輻射換熱。在相同溫度的物體中用輻射力E來衡量物體輻射本領(lǐng)的大小。根據(jù)史蒂芬波爾茲曼定律：

式中：σ—輻射常數(shù)；

T—熱力學(xué)溫度；

大功率LED光源的散熱器主要是通過熱量輻射和對流換熱的方式。本文設(shè)計了一種散熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，該散熱系統(tǒng)包括取熱單元和散熱單元兩部分，可以實現(xiàn)不同功率的散熱器，可以使本系統(tǒng)發(fā)適用性更強，同時可實現(xiàn)遠距離熱量傳遞。散熱器的散熱單元由使用鋁為材料制成的扇形葉片加裝在雙路銅管上組成。

上面使用額定功率為100 W由多芯片模組封裝的大功率LED，該LED各部分熱阻的計算可理解為100個1 W的LED芯片被封裝在半徑為25 mm的模塊中。

則大功率LED的熱量密度為

實驗測得大功率LED在環(huán)境溫度為22℃使用實際條件下，加裝散熱器的條件下，結(jié)點溫度為80℃，通過熱阻計算得到的結(jié)點溫度頁為50℃，實驗結(jié)果達到了用LED散熱器實現(xiàn)有效降低大功率LED內(nèi)發(fā)熱產(chǎn)生的溫度的目的。使大功率LED光源和信號燈在鐵路的大規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)和必備條件。

結(jié)語

上海局地處中國東部地區(qū)，該地區(qū)季風(fēng)性氣候顯著。夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，鐵路站場又有高壓接觸網(wǎng)及電壓波動比較大、靜電干擾等問題。LED散熱技術(shù)的改進，提高了大功率LED燈發(fā)光的效率。避免了LED燈在鐵路站場應(yīng)用時產(chǎn)生眩光、藍光等問題，減少了對作業(yè)人員的危害也。LED散熱技術(shù)的改進，對提高大功率LED燈的可靠性和壽命起到非常重要的作用。相信隨著LED燈各項技術(shù)不斷完善提高，會不斷地推廣應(yīng)用，將為鐵路節(jié)約能源、保護環(huán)境提供一條新思路。

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王飛（1976.9-），漢，安徽蚌埠，工程師，本科，研究方向:環(huán)保節(jié)能方面。