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LED灯具散热的计算模型

发布时间:2014-11-22 浏览:1687次 发布:中国照明灯具网

大功率LED在散热性能方面大大地优于普通的小功率LED,电通道和热通道分离开,它的LED芯片都连接在一个金属的嵌片上,散热性能得到很大的改善。

  但是,大功率LED用于特种灯具,或用于恶劣环境使用的灯具,这些灯具的外壳防护等级一般都在IP65以上,如果外壳为非金属(如塑胶)材料,尽管LED连接上了铝基板(MCPCB),但铝基板上的热量如果不能被有效地传导至外壳表面,则聚集的热量会使铝基板的温度急剧上升,导致温度过高,增加了LED失效的可能性,造成LED光衰加剧,寿命缩短。

  理论上计算灯具散热的情况,灯具的导热理论有许多困难,主要的困难是传导和对流同时对热传导起着作用,而对流是在密闭空腔内的对流,边界条件十分复杂;传导也是要通过多层导热物质、多层界面,截面积通常又是不等的,导致热流线分布的情况很难在计算之前就能通过分析得到。

  由于灯具是在开启后逐渐升温,最后达到热稳定状态,也就是说,热稳定状态时各点的温度最高,所以灯具的散热计算一般只考虑稳态的情况,瞬态的温度分布情况并不重要。对于稳态含热源在各向同性的单一介质中的导热服从Poisson方程[1]:

  

  式中为介质的导热系数,q''''''为热源的发热功率。

  由于灯具的结构是多种介质,所以在实际计算中,必须对每一种介质逐一求解上式,计算灯具内的温度场分布是十分困难,而且是没有必要的。实际上,我们所关心的是某些部位的温度是否在可以容忍的温度范围之内,只要计算出这些部位在达到热稳定时的温度即可。

  本文对效等电路的热阻算法进行了探讨,热阻算法的好处是无需知道确切的环境温度,也不必求解灯具内的温度场,直接计算灯具内关注点的温升,困难是热流线的分布必须通过分析而不是计算得到,而这一过程往往又是很复杂的。

  下面以一个实例的计算来说明等效电路的热阻算法。

  灯具要求的基本结构如下图,LED 处于密闭的塑胶外壳内,右侧的绝热层较厚,比较起其他部分导热,其导热基本可以忽略不计,热量主要通过支撑架、塑胶外壳、橡胶外套, 然后通过外部空气对流散到空气中。

  1.简化模型:

  (1) 铝基板视为一个等温热源;

  (2) 支撑板与与铝基板之间有一个附加导热层;

  (3) 由于塑胶的热导率比空气的热导率高得多,所以,空气的导热可以忽略不计;

  (4) 支撑板与塑胶外壳之间有一层附加导热层

  (5) 塑胶外壳与橡胶外皮之间为紧密接触

  (6) 铝基板与外壳之间的对流导热可以忽略不计[2]

  所以总热阻:

  R=R1+R2+R3+R4+R5+R6

  其中

  R1 为支撑板与铝基板之间的附加导热层的热阻;

  R2 为支撑板的热阻;

  R3 为散热板与塑胶外壳之间的附加导热层的热阻;

  R4 塑胶外壳的热阻;

  R5 为橡胶外皮的热阻;

  R6 为橡胶外皮处于空气中对流换热的热阻[1]。

  2.计算

  下面分别计算各部分热阻:

  

  上述各式中,

  ki(i=1,2,3,4,5)为各介质的导热系数;

  Ai(i=1,2,3,4,5)为各介质的导热等效截面积;

  di(i=1,2,3,4,5)为各介质的导热长度;

  

  上式中, 为平均换热系数;

  L 为定性长度,在大圆柱对流换热情况下,通常取圆柱直径;

  GrL和Pr分别为无量纲的格拉晓夫数和普朗特数,不同情况下的数值可以查表获得;

  C 为适配系数,在层流的情况下通常取0.53~0.54;

  A6为对流换热的有效面积;

  k6为空气的导热系数。

  于是总热阻为

  R=R1+R2+R3+R4+R5+R6=86.37(W/K)

  LED约有1W的功率变成热量则铝基板的温升为:

  ΔT=(T2-T1)=qR=86.37 (K)

  其中T2为铝基板温度,T1为环境温度。

  若环境温度为40℃,则铝基板的温度将要达到126℃,此时LED的结温达到166℃,根据Lumileds公司的“Luxeon Reliability”一文中介绍,Luxeon LED的失效与温度的关系为:

  

  这样高的温度Luxeon的失效几率比结温120℃时失效几率大92854倍,接近10万倍。这种温度下运行可靠性很差,所以这种导热结构不可行。从各个热阻分量看,主要的热阻是支撑板的传导热阻,改进必须是针对它的结构改进。

  若采用另一种热传导结构,取消塑胶的支撑架,换成0.3mm厚的电解铜散热板,如下图:

    

  其它部分不变,电解铜散热板的热阻为:

  

  电解铜散热板的折边有6mm,这部分的等效热阻为:

  

  于是,总热阻变为:

  

  若环境温度为40℃,则铝基板的温度将要达到64.6℃,此时LED的结温达到104.6℃,从理论上说,这种热传导结构是可行的。

  下表是两种结构温度试验与理论计算结果对照

  3.讨论

  从上面计算可以看出,采用等效于电路的热阻计算法,选取合适的简化模型,对于不同热传导结构中,温度关注点的温升进行计算,可以在开模具之前判断热传导结构的优劣,同时可以根据各部分热阻的计算结果判断主要的结构改进方向,这对于指导和改进结构设计具有实际的意义。

责任编辑:YL   来源:中国LED网

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