基于ANSYS的LED灯具热分析[1]

　　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。