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大功率LED路燈的散熱結構實現

 

  眾所周知,LED光電轉換效率製約在15%~20%,其餘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係列問題。

  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化,達到了降低製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,熱傳導主要表現在封裝結構與散熱器中,而熱對流主要靠散熱器來體現。因此,在大功率LED路燈中,外部散熱器的結構設計非常關鍵,直接影響整個係統的散熱能力。

  在製作LED路燈時,通常將封裝好的LED光源焊接在MCPCB上,而後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(環境)。
 

  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,由於封裝用的環氧樹脂熱導率隻有0.2W/mK,在這裏作絕熱處理。另外,假設各接觸麵均為理想接觸界麵,即不考慮界麵熱阻。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%,與空氣對流係數設為5,散熱體黑度為0.5,環境溫度為25℃。

  2 散熱器參數優化

  現今,LED路燈散熱設計中存在以下問題:散熱翅片麵積隨意設定;散熱翅片布置方式不合理;燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式,影響到翅片效果的發揮;強調熱傳導環節、忽視對流散熱環節;忽視傳熱的均衡性。這種往往導致了散熱器質量龐大,其中一部分翅片沒有發揮作用或作用很有限。

 

 
   

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