LED灯具散热建模仿真关键问题研究

本文综合研究了边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等仿真建模的关键问题，并与实验室温度测量相结合来验证仿真方法的准确性。结果表明，该方法对室内照明LED灯具能进行较为准确的散热分析，仿真温度误差在4℃左右，仿真结果对LED灯具开发设计具有重要参考价值。

　　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。

　　本文将从边界条件(环境温度、重力方向等)、热阻计算、热载荷分布和形式、散热材料导热系数和辐射率等几个方面，分析LED照明灯具散热仿真建模中的关键问题，并通过实验室温度测量验证模型仿真结果的精度。

　　1 边界条件

　　1.1 环境温度

　　仿真分析了5WHL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5WHL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。25WLED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。

　　4 散热材料导热系数和辐射率

　　4.1 散热材料导热系数

　　材料的导热系数高低反映的是材料热传导能力的强弱，热传导是影响散热的最根本因素，它决定了LED灯具产生的热量能否有效、快速传递到灯具散热表面。不同材料的导热系数因其物理属性、生产工艺等有所不同。仿真分析14WLEDPAR30射灯，采用不同导热系数的散热材料，对LED灯具的工作温度产生的影响，仿真结果如图9所示，说明材料的导热系数越高，最终的LED灯具工作温度越低，散热效果越好。

　　4.2 散热材料辐射率

　　不同材料的热辐射系数γ是不相同的，即使是同种材料不同表面处理工艺，其热辐射系数也不尽相同[14],因此在CFD散热仿真时，必须明确材料及其表面处理情况。仿真分析了7WLEDPAR16射灯的散热器表面辐射系数分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.7、0.6、0.5的温度场情况，图10和图11给出了LED工作温度、散热器平均温度随散热材料辐射系数的变化趋势。观察仿真结果可以发现，当材料辐射率在0.80以上变化时，LED工作温度、散热器平均温度并未出现较大的变化，说明对于铝制散热器，材料辐射率达到0.80即可；而当材料辐射率在0.80以下时，LED最大温度、散热器平均温度随材料辐射率呈线性变化关系，辐射率越低，温度越高。因此，在产品散热材料选择时，可以表面辐射率0.80为参考。

　　5 仿真数据与实验室测量验证

　　利用CFD仿真软件分别对7WLEDPAR16射灯、14WLEDPAR30射灯进行散热仿真，根据实验室环境温度，将室温和固体初始温度均设置为29℃，仿真结果如图12、图13所示。实验室温度测量采用8通道热电耦测温仪TP700,测量环境为无人走动恒温密闭实验室，环境温度为29℃。将实验室温度测量结果与CFD仿真结果进行比较，如表1、表2所示。

　　通过表1和表2的比较可以得出，仿真温度与实验室测量温度误差最大也仅有4.17℃，最小为0.17℃，说明本文所建立的LED灯具散热模型比较符合实际工作情况，仿真精度比较高。同时，通过仿真还发现LED灯具驱动电源工作温度过高，在后续产品开发过程中还可以有针对性地解决电源散热问题，提升LED照明灯具产品的寿命和可靠性。

　　6 结论

　　边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等问题是LED灯具CFD仿真分析中的关键步骤，需要结合实验室温度测量进行验证和修正，才能得出较为准确的散热模拟仿真分析结果。CFD散热仿真结果对LED灯具开发设计具有重要的参考价值和指导作用，可以缩短研发周期、降低开发设计费用、提升LED灯具产品的可靠性和竞争力。