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道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究
作者:管理员    发布于:2016-02-24 10:43:54    文字:【】【】【

  照明工程学报杨光(中国科学技术大学国家同步辐射。主要表述为:计算热阻和结温,看能否满足LED的散热要求,如果能够满足散热要求就直接输出结果;如果不能满足LD的散热要求就要进行散热器设计,然后再看设计能否满足LED的散热要求,能就需要进行下一步的优化设计,不能的话就需要重新进行散热器设计,直到能够满足要求为止。

  LED二次散热设计的热阻网络示意图如b所示。图中虚线框内的为LED的一次封装散热,主要由LED芯片PD产生的热量,通过内热阻R RT.其热传导过程表述如下:LED的内部热沉通过粘结层将热量传递给金属线路板,内部热沉与金属线路板间的热阻为RU再由线路板通过粘结层传递给散热器,热阻为R-s散热器将热量通过热阻Ru向空气中散发(图中:TLD芯片的结温,T内部热沉的温度,T一-散热器高点温度,T一-环境温度)。

  通过分析LED二次散热的方案和机理,可以看出影响LED散热的主要因素如下:a散热基板作用是与LED的内部热沉相连接,将热量导出和散发掉,常见的有:为了解决单元LED之间的电路联结与散热通道相互独立的问题而采用的技术手段。存在的问题是膨胀系数大,比重大,重量重等诸多问题。常见的有将陶瓷与金属结合形成的金属低温烧结陶瓷基板等。

  金属基复合材料板为金属PCB线路板的改进型,将金属材料的高导热性与增强材料的低膨胀性相结合,具有膨胀系数可调,比重小,导热率高的特点。

  将LED单元之间高热点的热量进行导出和扩散,使其在散热面上获得均匀的温度分布,提高散热效果,有利于散热器的总体散热。

  常用于LED芯片与热沉的粘结材料有三种:△导热胶硬化温度低于150C,热导率小,导热效果差;好的导热性和较好的粘接强度;▲锡浆与上述两种粘接剂相比,锡浆应该优先选用,因为其导热性为优,导电性能也很优越。

  散热装置的设计方案及形式较多,五花八门,归纳起来主要分为两大类:向外传递01由(外壳和封擂镜向向外扩散0热阻为lish4的能源A(电能)总体的散热能力有限m适用bookmark3▲皮动式散热特点是散热时不需要消耗额于中、小功率的1ED路灯散热;▲主动式散热一特点是散热时需要消耗额外的电能,但散热的效果好,适用于较大功率LD路灯的散热。

  为了尽量减少ld的总体热阻,即减少热阻的数量,中提出了如下的改进方式,归纳起来主要有:取消金属PCB阪,在金属散热器上直接生成绝缘膜和电极膜由此所得到的散热效果远远优于常规的金属PB板,能够进一步减小LED总体上的热阻。

  取消常规的LED内部热沉,而将芯片直接封装在预先设计好的具有特殊结构的金属散热面上,再进行整体封装。这样一来也能够进一步减少热阻。

  LED被动式散热方案LED的被动散热主要适用于中、小功率的LED来散热。由于不需要额外的消耗电能,故应用时总体的效率不受影响。a自然散热自然散热工作原理是在基板的外侧加上散热器,通过热传导将芯片高热量导出,然后再通过热对流与空气进行交换,将散热器上热量散发掉。

  表为热量,也就是热传导的热量;K为材料的热传导系数;热传导系数越高,其比热的数值也就越低;A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)AT代表两端的温度差;AL则是两端的距离。因此,从公式就可以发现,热量传递的大小同热传导系数、热传热面积、两端的温度差成正比,同距离成反比。

  也就是散热器的材料要具有高的导热率,且自身的温升要低,比热要大,一般采用具有高导热性且热容量大的材料(铜、铝)制成(参见表1)表热量,也就是热对流所带走的热量;H为热对流系数值;A则代表热对流的有效接触面积;AT代表固体表面与区域流体之间的温度差。因此热对流传递中,热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系。为了加散热效果,即成鳍片状,鳍片的形状也有多种多样,并且鳍片的数量、位置、尺寸大小、倾斜角度及厚薄等都需要进行认真研究。除了常见的直线型外,还有波浪形、螺旋形、圆柱形和锥台形等不一而足,目的是为了便于空气对流、雨水冲刷,以获得佳的散热效果。

  在使用的材料上,铜的导热性能比起铝要快的多,但铜的散热没有铝快。由此便形成了一种新型的铜铝复合型散热器一将铜铝各自的优点结合起来,铜可以快速的把LED芯片的高热量传给铝,再由大面积的铝鳍片把热量散去,从而达到更加良好的散热效果181.表1不同材质的热传导系数和散热器材质的比热(热传导系数银铜金铝铁铅1070型铝合金1050型铝合金6063型铝合金6061型铝合金(b散热器材质的比热水铝铁铜银铅b热管技术热管是一种优良的导热元件,一开始主要应用于航空领域据称单支直径6的圆管热管能够解决40W的散热量问题151.具有重量轻、结构简单、传热量大、速度快、不耗电、寿命长等诸多特点,导热系数是金属良导体的103~105倍。如a所示,热管主要由三个部分构成,内部有吸液芯和冷凝液,通过冷凝液相的循环变化,将LED发出的高热量导出并散发掉。主要的结构是:左侧为蒸发端一吸收LED芯片发出的高热量;右侧为冷凝端将芯片产生的高热量散发掉一般装有较多的金属鳍片,加强与空气间的对流散热;中间为绝热段一隔绝吸热端与冷凝端,使两端能够很好的协调工作。

  加藤面与空气的接触面积,1C散热器的漏面被制H脑热管具有I著快、传热效率高、散热效果好等系列bookmark4热管在LED上的应用有多种形式。有的将LD芯片直接安装在热管吸热端的顶部91,获得了非常好的散热效果。又提出一种平板式热管1101,研究了热管的温度分布、温度均匀性等问题,并与同种材料的带有鳍片散热器的散热效果进行了对比研究,得出了在较大功率1EOS片的散热上,平板式优点。

  均温板的原理与热管相似,只是热管的传热是一维单向的,均温板由于具有二维的特性,为面传热方式,能够使外置的散热器散热热点分散、整个散热器的温度均匀,因此传热的均匀度及散热的效果将比不采用均温板的同样散热器更好。d回路热管技术顾名思义,回路热管技术是利用管道将芯片的热量由蒸发器传给管内的介质。介质吸收热量后蒸发并流向冷凝器,释放热量冷凝后,借助蒸发器内多孔材料的毛细力重新回到蒸发器,往复循环。特点是能够将热量传输到较远的、容易散热的位置。在实际应用中具有方便、灵活等特点。

  LED的主动散热需要消耗额外的电能,适用于较大功率的LED来散热。散热的效果远远优于被动式散热,并且装置的体积较小,但在应用时总的效率将有所降低。

  带有鳍片的散热器的散热如果仅仅依靠空气的自然对流,散热的效果将很有限。由热对流的散热公式可见,对于同一种散热器,采用加大空气流动的方式可以较大程度的提高散热的效果,但是具体采用的送风方式与散热的效果有较大的差别。

  研究指出:采用顶送风的温度场左右对称,侧送风的入口温度较低,出口温度较高。顶送风的固体区域温度比侧送风的温度整体降低了约10C,强化了散热效果。由此,除了需要根据流场和温度场的耦合关系来设计散热器的形状外,应该充分利用流场的作用来获得理想的散热效果。

  微机械加工技术和铜直接粘结技术形成具有5层结构的散热器。当激光器准连续输出功率达38. 5W时,散热器的热阻为0.645C/W表面的温度均匀性好,能够有效的散热;中还提出了交错结构的微通道可以增加热交换系数,减少直通道结构的在制作和安装过程中的断裂可能性,且通道宽度取到某一值时,散热器具有小的热阻。除此以外,还有其他形式的微通道散热器的研究结果,在此不再赘述。

  动式散热方案ChinaLcademi丨半导体制冷是利用半导体材料的帕尔帖效应来工作的。中提出利用半导体制冷来解决LD路灯的散热问题,具有较高的实用。优点是:结构简单、体积小设计灵活、无污染、可控制和无噪音;缺点是:需要消耗额外的电能,部分抵消了LED光源相对于高压钠灯的节能的优点。其原理见所示。简述如下:将r型和p型半导体用金属连结成一个电偶。

  当直流电源V接通时,就有电流通过P-r结,这样就会形成帕尔帖效应,上端为冷端,产生吸热现象,将LED芯片产生的高热吸收;下端为热端,产生放热现象,将冷端吸收的LEDK片热量通过外置的散热器散发掉。

  3LED路灯散热的技术方案通过对大功率led的等效热阻模型及整体散热分析可知LED路灯散热设计的一般原则是:1、结构层越少越好;2层的厚度越薄越好;3层的面积越大越好;4材料的导热系数越大越好;5灯的外形以长方形和环形较好。

  对于用于室外的道路照明的LED路灯,在综合了现场环境、工作条件、整体可靠性、节能效果和日常养护难易程度等诸多因素后,得到的较为一致的观点是:LD各灯的散热方案应该采用以被动式散热为主,主动式散热只能作为辅助手段,尽量少用甚至不用。具体采用的散热方案分析如下:采用散热器给LD路灯散热是为常见的散热方式,并且根据需要可以辅助于其他的技术手段。主要应用于下面的两个方面:灯壳与外置式散热器一体化设计:对于较小功率的的LED路灯,由于需要耗散的功率较小(功率<90W)从结构、配光和造价等几方面考虑,在设计中多采用灯壳与外置式散热器一体化设计的方式。利用道路上方空气的自然流动来散热,可以满足灯的照明及P方护要求。通常将散热鳍片的设置方向与道路通行的方向一致,并有一定的倾斜角度,利用雨水将积灰冲掉。鳍片的形状多种,除了线形外,为了加大散热效果,也有采用圆柱式散热器来减少不同方向气流所带来的散热不一致问题。这种一体化结构的优点是:结构小巧、使用材料少、重量较轻和外形轻薄;缺点是:仅适用于中小功率、散热器沟道容易被灰尘堵塞影响效果、加工工艺要求高。

  内置式散热器与温控风扇:由于需要散出的热量较大,单纯采用散热器自然散热往往由于体积太大、重量太重而无法实际应用,为此需要采用散热器加风扇的强制散热方考虑到灯的I方护要求、风扇的防水问题及室外使用的可靠性,一般采用带有灯壳的内置式散热器,并且根据LED芯片的工作温度、散热器温度及不同季节室外气温的高低,将风扇设计为温控型的。这样既可以节约能源,又能够延长风扇的使用寿命。优点是:综合散热效果好、散热器不容易被污染、可用于较大功率的灯的散热;问题是:散热风扇的寿命有限、增加额外耗能及电路较为复杂。

  表2采用与不采用风扇的散热效果比较样品结温灯具散热器温度金属空腔外壳温度室温相对于室温的P结温升(K)1有风扇无风扇2有风扇无风扇可以使整个灯的总体效a率有较大的提高ec其中的热lish入的S讨和究tsreserved邮对于功率较大、需要散热能力较强的LED路灯,热管可以说是理想的散热器。其在路灯上应用的方式主要有两种。

  对于采用单颗功率在1W左右LED所构成的较大功率的LED路灯(如:150200W)―是根据需要散热的功率大小及单根热管所能满足的散热能力,将其分成若干组,分别安置在满足要求的热管的冷端上。实际中为了便于安装和与LD内部热沉的紧密配合,热管的形状可以采用扁平形的,并在热端加装散热鳍片;二是将成组的LED芯片通过特殊工艺直接封装在热管的冷端上,减少了中间层,可以得到更好的散热效果。

  均温板加热管加鳍片采用的LED为数十W至数百W单片封装的大功率芯片。芯片所处的热点温度很高,集中的高热所带来的散热效果不理想。将均温板的导热均温功能与热管相结合,可以减少和消除大功率LED且件所产生的热点效应,获得理想的散热效果。

  热管加鳍片加温控风扇采用热管加鳍片加温控风扇的散热技术,通常适用于200W以上的大功率LED路灯的高热散热。

  一方面可以减小散热设计的物理尺寸,另一方面选用较小的热管也能够获得良好的散热效果,采用温控风扇既可以提高其使用的可靠性和延长使用寿命,又可以节约能源的消耗。

  在中大功率LED路灯中,由于需要散发的热量较多,采用一般的散热方案往往只能满足单一的技术要求,不能满足LED各灯整体方面的要求。

  提出了利用半导体的制冷散热是一种可以进行深入研究的课题,并且对实际的问题进行了研究和讨因素制约,需要做进一步的研究和通盘的考虑才行。

  具有余热回收的散热设计原理,适用于大功率的LED路灯量流动主要有两个途径。,LED芯片产生的高热量由内部热沉导出,传给半导体热电器件,由其将热量转换为电能,储存起来,并经过适当的转换来供给led照明用电或者给散热风扇用;第二,考虑到不同季节气温的变化,特别是夏季气温较高,半导体热电器件发电消耗的热量有限,在灯的散热器上加装有风扇。当led基板的温度过高超过设定值时,启动散热风扇强制散热,保障led的工作温度在合适的范围内。

  芯片直接封装在散热器上将芯片直接封装在特别设计的散热器上,减少中间层也是减少LED散热热阻的技术手段之一。实际实施起来可能有较大的难度,主要是需要研究封装工艺的特殊性、实际操作的可行性以及与上游的芯片厂家的技术协调等诸多问题。

  4结束语由于大功率led的光效和寿命等主要技术指标都与芯片的工作结温有关,因此对大功率led路灯在道路上应用的几个关键技术之一的散热问题的研究就显得尤为重要,特别是针对道路照明中,LED路灯在散热技术方面还有许多细节问题需要进行深本文主要从1ED芯片封装的一次、二次散热入手,到LED路灯所采取的散热设计方案为止,来研究大功率LEC封装的一次、二次散热等所采用的技术方案,以及应用于路灯所应该采用的散热设计,给出了个人的心得和建议。希望进一步研究和探讨针对道路照明实际所采用的散热设计、所能够得到的散热效果,以及满足道路照明要求的大功率LD灯具。

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