大功率LED路燈的散熱結構設計和參數(shù)優(yōu)化

摘要：為了達到對大功率LED路燈產品既降低制造成本(散熱器質量)又加快散熱的目的，優(yōu)化了LED路燈散熱器結構。在對原有結構參數(shù)化建模及熱分析的基礎上，采用正交試驗分析了散熱器中平板厚度、翅片厚度、翅片間距、翅片高度4因素對產品質量與散熱效果的影響，并研究了同一結構下熱傳導與熱對流兩種方式對散熱的影響，最終得出了一個較為理想的優(yōu)化結果。數(shù)據結果表明，改進后的散熱器最高溫度較原始模型下降了11℃以上，同時，質量降低了約15．3％。
關鍵詞：大功率LED路燈；熱分析；散熱結構；ANSYS

目前，LED照明產品正在逐漸取代傳統(tǒng)的照明燈具成為主流照明產品。對于高功率的LED路燈而言，光效是燈具設計師關注的重點，然而，LED模組的低結溫是實現(xiàn)長壽命和高光效的至關因素。現(xiàn)實中，有很多關于路燈早期失效的報道，稱之為死燈，這對公共照明來說是一個極大的制約。因此，如何降低大功率LED產品的結溫是研究熱點問題之一。
眾所周知，LED光電轉換效率制約在15％～20％，其余的電能幾乎全部轉換成熱能，因此在LED產品工作時，將會產生大量的熱量。當多個LED密集排列組成路燈時，熱量的聚集效應更為嚴重。若不將此熱量盡快散出，隨之而來的熱效應將非常明顯。這將會引起芯片內部熱量聚集，導致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。
本文利用有限元分析軟件ANSYS對LED路燈進行了熱分析，對其散熱結構進行了設計與優(yōu)化，達到了降低制造成本又加快散熱的效果。

1 散熱器結構設計與建模
通常條件下，熱量的傳遞有3種方式：傳導、對流和輻射。因輻射散熱量非常小，所以本文主要討論傳導和對流2種傳熱方式。
在LED路燈中，熱傳導主要表現(xiàn)在封裝結構與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來體現(xiàn)。因此，在大功率LED路燈中，外部散熱器的結構設計非常關鍵，直接影響整個系統(tǒng)的散熱能力。
在制作LED路燈時，通常將封裝好的LED光源焊接在MCPCB上，而后MCPCB與外部的散熱器通過采用導熱粘合劑以及機械緊固件法等固定在散熱器上，如圖1所示。熱量的主要傳輸通道為：PN結-Cu柱-MCPCB-散熱器-空氣(環(huán)境)。

本文主要考慮散熱器對散熱的影響，采用的散熱器結構為一塊帶有很多散熱翅片的熱的良導體，通過具有一定厚度的“導熱板”固定住裝載有LED光源的MCPCB，實物如圖2所示，主要參數(shù)見表1。

首先，根據燈具、封裝光源等實際尺寸，在有限元模擬分析軟件ANSYS中建立模型如下。
在此模型中，考慮到燈具傳熱的主要途徑，忽略了封裝光源的引腳對散熱的影響。同時，由于封裝用的環(huán)氧樹脂熱導率只有0.2W／mK，在這里作絕熱處理。另外，假設各接觸面均為理想接觸界面，即不考慮界面熱阻。在模擬過程中，邊界條件設置如下：芯片功率為1 W，光電轉換效率設置為15％，與空氣對流系數(shù)設為5，散熱體黑度為0．5，環(huán)境溫度為25℃。