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基于ANSYS的LED灯具热分析[1]

2013-11-4  来源:南京汉德森科技股份有限公司  作者:饶连江  有4174人阅读

高温对LED发光质量和使用寿命影响巨大,从设计上说,防止过热是最具挑战性的任务之一。因此,使用计算机辅助分析结合实验的方法来模拟LED组件的工作性能变得越来越重要。

  一、引言

  大功率高亮度发光二极管(LED)是21 世纪最具发展前景的一种新型冷光源。它的发光机理是靠PN 结中的电子在能带间跃迁产生光能,当它在外加电场作用下,电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能,而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能。由于光谱中不含红外成分,产生的热量不能靠辐射散发,故称LED为冷光源。

  目前LED的发光效率只有10%~25%,其余的能量转化为热能,如果LED 芯片中的热量不能及时散发出去,会加速器件的老化,一旦LED 的温度超过最高临界温度,往往会造成LED 永久性失效。据报道,LED在30℃下工作的寿命比在70℃下工作时长20倍,因此散热技术是LED灯具设计的关键技术之一。

  热交换是通过导热、对流换热和辐射换热三种基本方式进行的,可分为瞬态热交换和稳态热交换。一般来说,工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质,设某一时刻t ,物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为t=f( x, y, z,t ),导热的微分方程可表达如下:

(1)

  式中ρ为密度,单位kg/m³;C为比热容,单位J/(kg.K);λ为热导率(导热系数),单位为W/(m.K);φ为内热源强度,单位W/m³。

  对于连续介质,二维对流换热的能量微分方程如下:

  (2)

  式中Cp为比定压热容,对于固体和不可压缩流体,Cp=C;u, v 分别为x, y 方向的速度。

  上述热交换的矩阵形式如下:

  (3)

  式中[C(T)] 为比热矩阵;[K(T)] 为传导矩阵,包含导热系数和对流系数;{T} 为节点温度向量;{T }为温度对时间的导数;[Q(T)] 为节点热流向量。

  二、分析项目描述

  1. 灯体描述:

  分析模型是一款某大型公司的LED 灯具,外形规格φ48×38,安装3 颗1W的标准LED,安装直径φ12(均布)。

  2. 灯体模型简化:

  为了节省计算机资源的开支,由灯具的对称性,取1/3 模型进行简化分析(图2),单颗LED的封装结构及元器件组成见图3和图4:

  简化后的模型包括:灯体、铝基板、热沉和LED 发光芯片。LED 封装的塑料部分(热阻很大)、透镜、衬底及细导线等可省略。

  根据文献,1W 单颗LED 热辐射带走的热量约为总热量的1.63%,只考虑热传导与对流,改变不同封装填充材料,对热导温度的降低影响不大(即使找到一种热导率高达7 W/m.K的环氧树脂成分封装材料时,相比使用热导率仅为0.25 W/m.K 的环氧树脂成分封装材料时,芯片温度下降不多,铝基板温度只下降了2.271℃,实际上,热导率超过7 W/m.K 以上可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导),LED芯片通过银胶与热沉导热,热沉与铝基板及铝基板与灯杯均通过硅胶导热,元件紧密结合,通常硅胶结合厚度为um 级。为便于分析,可以忽略银胶和硅胶的影响。LED 热沉材料常采用镀银铜,考虑到铜材纯度及银胶对热导的影响,实际导热系数比铜略低。

  LED 芯片的热承受力不大于110℃,考虑安全裕度(一般取为10~15℃),芯片PN 结温度不得大于95℃,实际应用中,为了延长LED 的使用寿命,结温一般控制在70℃以下,该值也常作为热设计的参考阀值,之后,温度每升高10℃,寿命约降低一半。

  建立有限元模型时,考虑到网格划分,删除了对结果影响不大的圆角、小孔和部分小特征。

  3. 若干关键问题讨论

  (1)灯体材料:

  灯体材料的选择主要考虑材料的导热能力、价格及工艺性。导热系数的大小表明金属导热能力的大小,导热系数越大,热阻越低,导热能力越强,导热系数的大小通常是通过实验的方法来确定的。在金属材料中,钻石和银的导热系数最高(见表1),但成本太高;纯铜其次,但加工不容易。LED散热灯壳一般采用铝合金6063T5,这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足,很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉,通常由压铸或挤压成型,实验表明,热导率约为纯铝的1/2,随着温度上升,铝合金的热导系数呈增大的趋势,分析中忽略了铝合金热导系数随温度的变化。

  (2)空气对流系数:

  热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其它现象中。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算结果,并且使用时很容易出现错误,所以通常情况下我们建议使用一些经验的数据。空气对流系数经验公式如下:

  内表面: h =2.5 +4.2v (4)

  外表面: h =(2.5 ~ 6.0)+4.2v (5)

  式中h 为空气对流系数,v 为空气流速。

  一块0.2m²水平放置的平板,在自然对流情况下与空气的对流换热系数大约为5W/㎡K,在空气流速为3m/s 的强迫对流情况下与空气的对流换热系数大约为15W/㎡K,考虑到该款LED灯多用于室内封闭环境,灯具外部对流系数取为5W/㎡K,灯具内部对流环境取为2.5W/㎡K,CAE 分析时取灯具的环境温度为室温25℃。

  (3)发热量:

  散热问题是功率型LED 需要解决的一个重点问题,散热效果的优劣直接关系到器件的可靠性。大家知道,增加LED的输入功率,LED的亮度会成比例地增强,但由于LED的效率远远低于100%,目前功率型LED只能将少数部分电能转化为光能,而剩下的约80%的能量转换为热能,考虑电源发热、辐射换热及其他能量交换,综合实验测试数据,发热量可取为LED标称功率的80%,本模型中的发热量约为0.8W,芯片标称尺寸为1×1×0.25mm,发热率为3.2W/mm³,为了模拟芯片均匀发热,芯片的热阻取为一个较小值。

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