大功率LED 照明系统的热管理设计

By | 2020年7月25日

  今朝跟着动力危机成绩的加剧,基于白光LED 的照明技巧遭到愈来愈多的注重,其使用范畴也愈来愈宽泛,在逐渐庖代传统光源[1]。LED 照明与传统光源所没有同的是,LED 芯片不克不及经过热辐射的形式把正在工作时孕育发生的热量分发进来。另外一方面,LED 芯片的寿命、光通量、色坐标等参数都与其工作温度毫不相关,因而热治理是LED 照明技巧中一个非常首要的议题。本文将引见LED 热治理技巧的次要内容,并对热治理技巧的优化改良提出倡议。


  LED 照明技巧作为一种半导体固态照明技巧,其外围是基于GaN 资料的蓝光LED 芯片,LED 芯片正在工作时,因为芯片中存正在年夜量的非辐射复合中心等缘由,招致了输出LED 的能量中相称年夜一局部转化为热能, 普通以为,LED 芯片所输出的能量中约莫70%阁下正在工作是转化为热能[2]。如斯年夜量的热能假如不克不及顺遂传导进去,将招致LED 芯片的结温迅速降低,年夜年夜升高LED 芯片的应用寿命、光通量等功能目标,重大时会废弃LED 芯片。


  今朝正在LED 照明使用中, 从节约LED 芯片老本方面来思考,人们往往会经过加年夜LED 的驱动电流的形式来进步光源的总光通量,而正在年夜电流下工作的年夜功率LED 芯片,发烧量也会年夜年夜添加。正在这类状况下,LED 芯片的热治理就显患上尤其首要。


  1 LED 照明零碎中的热通报


  热阻R 是评估资料导热功能的物理量,a、b 两点之间的热阻Ra-b的界说为[3]:


  (1)


  此中Ta为a 点的温度,单元为℃,Tb为b 点的温度,单元为℃,Pt为耗散的热功率,单元为W。从公式(1)能够看进去,正在相反的热耗散功率下,假如两点之间的热阻越小,温差就越小。


  家喻户晓,热通报的形式有3 种:传导、对流、辐射。LED照明零碎热治理所需求处理的成绩次要包罗了若何经过传导形式将芯片孕育发生的热通报到四周的散热构造,再经过对流形式以及辐射形式将热通报到四周的空气中,终极实现整个散热进程。正在这个进程中,若何将整个热通报通道中的热阻降到最低,是进步整个零碎的热功能的外围成绩。


  2 热治理优化


  2.1 热传导及其优化


  热传导是正在两个间接接触的固体间接发作的热通报进程。LED 芯片孕育发生的年夜量热量起首要经过热传导形式带到芯片四周的散热构造, 因而要应用热的良导体来制造散热构造。人们应用导热系数k 来权衡资料的导热才能。经过热传导通报的热量Qcond(W)由下式给出[4]:


  (2)


  此中k 为资料的导热系数,单元是W/mK,A 为热传导资料的截面积,单元为m2,ΔT 为资料两真个温差,单元为K,Δx为热传导的间隔,单元为m。从公式(2)能够看进去,要想改善热传导的成果,能够经过加年夜导热资料的截面积,缩短热传导的间隔,并应用导热系数高的资料。另外一方面,因为正在热传导中的热通路中存正在许多界面,若何行使精良的热界面资料来改善界面的导激情况也十分首要。


  正在实际使用中,年夜功率LED 芯片所孕育发生的热起首要经过LED 芯片封装构造通报进去, 若何正在LED 芯片与外界之间建设一条精良的导热通道是非常要害的。传统的LED 芯片封装为正装形式,该形式是经过蓝宝石衬底将LED 结处的热量通报进去,而蓝宝石衬底的导热系数仅为42 W/mK,无益于芯片的散热。比来人们倒退了倒装构造以及垂直构造的LED 封装形式来改良热传导。倒装构造LED 是经过共晶焊技巧将LED 芯片倒装到具备更高导热系数的硅衬底上(导热系数约120 W/mK)[5], 从而保障LED 孕育发生的热量可以迅速地通报出


  来。垂直构造LED 经过激光剥离等工艺将GaN 内涵层转移至硅、铜等高导热系数的衬底上[6],从而年夜年夜改善散热成果,以铜基板为例,铜的导热系数正在400 W/mK 阁下。


  正在下面提到的正装、垂直构造以及倒装构造等封装形式中,城市触及到若何行使热界面资料将芯片固定的成绩。另外,正在印刷电路板以及散热片之间也需求热界面资料来填充巨大的空气间隙。罕用的热界面资料有导热胶、相变资料、导热弹性体以及低熔点合金等,例如导电银浆、导热锡膏、共晶焊合金等。碳纳米管具备十分优异的导热功能,其导热系数高达6 600 W/mK[7],能够作为将来LED 使用中的热界面资料,然而存正在工艺复杂、老本初等缺陷。


  2.2 热对流及其优化


  热对流是指经过液体或气体的活动将热量带走的热通报形式。关于LED 照明零碎来讲,通常行使热对流形式将散热片的热量分发到四周的空气中。对流有天然对流以及强迫对流两种形式, 下式中给出了正在对流形式中所分发的热量Qconv(W)[8]:


 (3)


  此中h 为热通报系数, 单元为W/m2K,A 为散热片的外表积,单元为m2,ΔT 为散热片与四周介质之间的温差,单元为K。关于没有同的对飘泊热技巧,热通报系数的差距很年夜,强迫水冷对流的热通报系数能够高达10 000 W/m2K,而空气天然对流的热通报系数普通以为约莫为10 W/m2K。散热片的应用中,散热片的热对流才能以及详细摆放形式有亲密的关系。


  除了了天然对流以及强迫对流外,还能够采纳热管技巧来改善零碎的散热才能[9]。正在某些非凡的使用场所,乃至能够应用水冷形式来达到精良的散热成果。详细散热形式的抉择,不只仅与散热成果无关,更多患上是决议于老本、牢靠性、乐音等要素的思考。


  2.3 热辐射及其优化


  热辐射是热量通报的第3 种形式,所有温度高于相对零度的物体都能孕育发生热辐射,温度愈高,辐射出的总能量就愈年夜, 普通的热辐射次要靠波长较长的可见光以及红内线流传。


  经过热辐射通报的热量Qrad(W)由下式来确定[10]:


 (4)


  此中ε 为物体外表的发射率,无穷纲,σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,数值为5.67×10-8 W/m2K4,A 为散热外表的面积,单元为m2,Ts为散热资料外表的温度,单元为K,Tf为四周介质的流体温度,一般为指四周空气的温度,单元为K。正在其余前提都确定的状况,能够经过进步散热片外表的发射率来改善散热成果。以铝散热片为例,应用阳极氧化工艺来进行外表解决后能够加强其外表发射率,从而改善散热成果[11]。关于散热片的设计,能够应用较量争论流体能源学来进行仿真[12],以失去更准确的设计后果,放慢设计进度。


  3 热治理设计实例


  假定LED 灯具的发烧量为100 W, LED 散热底座的温度为55 ℃,四周的环境温度最高为35 ℃,依据公式(2)可知,假如取空气天然对流的热通报系数为10 W/m2K,正在没有思考热辐射的状况下,所用散热底座的面积应该为:


  


  为了保障照明灯具所应用的1W LED 芯片达到50 000小时的寿命,心愿将LED 芯片的结温管制正在90 ℃,因而由LED芯片到LED 散热底座的热阻不克不及超越(90-55)/1=35(℃/W)。热阻的调配以下:由LED 芯片到焊点的热阻为8 ℃/W,焊点到散热底座的热阻必需管制正在27 ℃/W, 下一步依据所抉择的PCB 板以及热界面资料的导热系数k、厚度以及面积等参数,行使上面的公式:


 (5)


  来评价热通报通路上的热阻能否能够达到设计要求。


  4 论断


  正在热治理设计中,起首要理解整个热通路中每一个环节的热阻状况,绘出零碎的热阻表示图,找出热通报的瓶颈,而后进行重点改良。例如正在热界面资料的抉择上要多加留意,选用导热功能欠好的热界面资料会使患上整个设计前功尽弃。正在抉择好LED 芯片的条件下,热治理设计以预期芯片结平和工作环境温度作为设计的两个节点,正在两个节点之间的热通路上调配温度梯度估算,并预算相应的热阻值,设计应具备足够的余量,能够正在残酷的应用环境中保障结温正在预期范畴内,从而保障LED 芯片长时间工作的牢靠性。正在详细每一个


  局部的设计中,要综合行使3 种热通报形式。以散热片的设计为例,起首要应用热的良导体,充沛行使热传导形式,另外要依据应用环境来精心设计散热片的外形构造,以最年夜限制天时用热对流形式,最初还要尽可能进步散热片外表的发射率,充沛行使热辐射形式来进行散热。


  从以上的剖析能够看出,年夜功率LED 照明零碎的热治理设计是一个需求综合思考的工程成绩,必需要正在零碎级条理上进行总体优化,能力达到精良的散热成果。