LED灯具散热建模仿真分析之关键问题大公开

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。

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。

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。25W LED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。