LED灯具散热建模仿真关键问题研究(一)
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本文综合研究了边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等仿真建模的关键问题,并与实验室温度测量相结合来验证仿真方法的准确性。结果表明,该方法对室内照明LED 灯具能进行较为准确的散热分析,仿真温度误差在4℃左右,仿真结果对LED 灯具开发设计具有重要参考价值。
0 引言
LED 属于半导体发光器件,受目前LED 芯片的生产制造水平限制,LED 高功率产品输入功率仅有约20%~30%转换为光能,剩下的70%左右均转换为热能。结温升高会影响LED 的寿命、光效、光色(峰值波长)、色温、配光、可靠性、发光强度、正向电压等,而这些均是影响照明质量的重要因素。
为了控制LED 灯具的温升,保证灯具的寿命和可靠性,国内外学者针对照明用LED 灯具散热设计的相关研究已有不少,尤其是利用有限元流体力学CFD 仿真软件进行散热模拟仿真分析,可以全面分析LED 灯具的热传导、热对流及热辐射,分析求解LED 灯具内外的温度场和流场等,非常适用于目前LED 照明灯具散热模拟仿真。
本文将从边界条件(环境温度、重力方向等)、热阻计算、热载荷分布和形式、散热材料导热系数和辐射率等几个方面,分析LED 照明灯具散热仿真建模中的关键问题,并通过实验室温度测量验证模型仿真结果的精度。
1 边界条件
1.1 环境温度
仿真分析了5W HL?A60LED 球泡灯在环境温度分别为20、25、30、35、40、45和50℃时的温度场分布情况,图1~3 给出的是LED 工作温度(图中,max表示LED 最高工作温度,avg表示LED 平均工作温度,下同)、散热器平均温度、电源温度随着环境温度的变化而呈现出的温度变化趋势图,从仿真结果图中可以看出,LED 最大温度和平均温度、散热器平均温度与环境温度呈线性变化关系,即环境温度越高,LED 最大温度、散热器平均温度也越高。但它们之间关系不是纯粹的线性叠加,比例系数约为0.8.
1.2 重力方向
热量具有与重力反方向的传递趋势,图4所示为5W HL?A60LED 球泡灯采用三种不同安装方式的温度仿真分析效果。从图中可以发现灯具温度场因重力方向不同而发生了明显的变化。因此在仿真过程中,要明确LED 灯具的安装位置和方式。
2 热阻
热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力,可通过材料导热系数(K)来计算:
式中,犔表示热通道路径的长度,犃表示热通道有效横截面积。
热阻分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时,遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触固体的交界面时,界面本身对热流呈现出明显的热阻,称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是,任何表面接触良好的两物体,实际接触面积只是交界面的一部分,其余部分都是缝隙,热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递,而它们的传热能力远不及一般的固体材料。
对于部分热通道材料层因其厚度很小,在建模过程中可不体现出来,而采用等效面接触热阻替代,便于散热建模CFD 仿真分析。例如:
(1)采用回流焊工艺将LED 光源焊接到铝基板上,LED 光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层的主要材料成分为锡(96%),厚度一般为0.1~0.15mm,导热系数为60W/(K·m)。
(2)如图5,铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成,导电层厚度微小、导热率好,因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定,导热绝缘层厚度小、导热率差,而金属基层厚度大、导热好,若二者按同一材料体设置,仿真结果将会出现较大偏差。[!--empirenews.page--]
铝基板绝缘层与回流焊锡层的热阻进行换算成一等效热阻R等效,计算公式如下:
进一步,R等效可用等效导热系数狉等效来表示,而狉等效可按下式计算:
式中,ri为各层材料导热系数,hi为各通道厚度。
文中灯具采用贝格斯铝基板(绝缘层厚度0.076mm、导热系数1W/(K·m)),则等效导热系数K等效为2.88W/(K·m),厚度为0.226mm.
(3)铝基板通过导热硅脂或硅胶垫片与散热器连接,此通道层设置成面接触热阻,厚度为0.5mm、导热系数为1.5W/(K·m)即可。不同的粘结层材料厚度和导热系数都会对LED 工作温度产生影响,如图6和图7所示。
分析可知粘结层厚度越小,粘结材料导热系数越高,LED 的工作温度越低,灯具散热越好。
3 热载荷
3.1 热载荷分布
热载荷主要分布在两个地方,LED 光源和电源。LED 光源发光而产生的热量是LED 灯具主要热源处,当前照明用LED 的光电转换效率ηLED 约30%,亦即70% 左右的LED 输入功率PLED转换成热量,则LED 发热量QLED:
而LED 灯具驱动电源中电子元器件同样也是热源之一。灯具输入总功率(P灯)减去PLED求得电源消耗总功率(P电源),再根据电源工作效率,即可求出电源发热量Q电源:
3.2 热载荷形式
热源有两种表现形式:体热源和面热源。25 WLED 筒灯热载荷17.5W.分别按照两种热源形式进行散热仿真。仿真结果基本相同,如图8所示,因此,不同的热源形式对于CFD 散热仿真分析的影响并不是很大。