led道路照明燈具散熱系統(tǒng)分析

　　前言

　　在我國(guó)的總用電量中，照明用電大約占13%。而城市公共照明尤其是道路照明用電在整個(gè)照明領(lǐng)域占有龐大的份額。近年來(lái)，隨著國(guó)家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)戰(zhàn)略的提出，作為一種高效節(jié)能的新型光源，在其生產(chǎn)工藝以及性能不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上，LED進(jìn)入道路照明領(lǐng)域已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。

　　1、LED的結(jié)溫和性能的關(guān)系

　　目前限制LED道路照明燈具發(fā)展的瓶頸主要有兩個(gè)：一個(gè)是成本。目前LED光源相對(duì)傳統(tǒng)光源來(lái)說(shuō)，價(jià)格還是偏高。但是隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步以及國(guó)內(nèi)企業(yè)的廣泛參與，LED成本會(huì)逐步下降。另一個(gè)瓶頸是散熱。由于LED屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件，而半導(dǎo)體器件隨著自身溫度的變化，其特性會(huì)有明顯的變化。對(duì)于LED，結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

　　(1)減少LED的外量子效率；

　　(2)縮短LED的壽命；

　　(3)造成LED發(fā)出光的主波長(zhǎng)偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。

　　其中，器件的外量子效率是與LED光效直接相關(guān)的量，外量子效率的下降將會(huì)直接導(dǎo)致LED光效的降低。隨著器件PN結(jié)溫度的上升，白光LED芯片的發(fā)光主波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。統(tǒng)計(jì)資料表明：在100℃的溫度下，波長(zhǎng)可以紅移4～9nm，從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，也會(huì)導(dǎo)致LED輸出光通量的減少。圖1是CREE公司生產(chǎn)的X2Lamps系列產(chǎn)品(a)與LUMILEDS公司生產(chǎn)的LUXEONK2系列產(chǎn)品(b)相對(duì)光輸出隨結(jié)溫的變化曲線，這兩種產(chǎn)品都是現(xiàn)在技術(shù)較成熟的大功率白光LED。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)器件結(jié)溫上升到65℃時(shí)，二者的光輸出相對(duì)于室溫時(shí)會(huì)下降10%左右。

圖1：LED相對(duì)光輸出隨結(jié)溫的變化曲線（點(diǎn)擊圖片放大）。

　　對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，芯片的失效率也會(huì)上升。研究表明：當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)，LED的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，LED的溫度每上升2℃，可靠性下降10%。

圖2是LUMILEDS生產(chǎn)的LUXEONK2系列產(chǎn)品結(jié)溫與壽命的關(guān)系。從圖中可以看到，當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，LED的光衰會(huì)明顯加快，壽命也明顯降低。光效、色溫、壽命等參數(shù)都是照明應(yīng)用中非常重要的指標(biāo)，因此如何通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)，控制LED燈具的溫升是LED進(jìn)入道路照明領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

圖2：LED結(jié)溫與壽命關(guān)系曲線（點(diǎn)擊圖片放大）。

　　2、路燈燈具熱學(xué)分析模型

　　要想分析路燈的熱學(xué)傳導(dǎo)模型，首先要選出溫度基準(zhǔn)，就是我們要最終分析和控制的溫度指標(biāo)。現(xiàn)在市場(chǎng)上很多LED燈具產(chǎn)品給出的溫升指標(biāo)大部分都是基于燈具外殼的溫度相對(duì)于環(huán)境溫度的差異，用這種方法來(lái)衡量燈具散熱性能存在著一定的局限性。因?yàn)榕cLED器件性能直接相關(guān)的是其PN結(jié)的結(jié)溫，我們關(guān)心的最終指標(biāo)是結(jié)溫的高低。不同燈具在LED光源選取、燈具材料使用、生產(chǎn)工藝以及散熱設(shè)計(jì)等各方面都有很大不同，導(dǎo)致從LED的PN結(jié)到燈具外殼的熱阻有很大的差異。在這種情況下，用燈具外殼溫度相對(duì)環(huán)境溫度的溫升來(lái)判斷燈具的散熱性能是不科學(xué)的。我們必須通過(guò)一定方法測(cè)量出芯片的結(jié)溫，然后通過(guò)結(jié)溫的變化來(lái)衡量燈具散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

　　綜合考慮道路照明的各項(xiàng)要求，以及路燈的在配光、機(jī)械、防護(hù)等級(jí)等各方面的要求，目前應(yīng)用在LED道路照明燈具中的主要散熱方式有兩種：第一種是被動(dòng)式散熱，即通過(guò)安裝散熱片來(lái)散熱。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但散熱效率比較低；第二種是主動(dòng)式散熱，即通過(guò)外加風(fēng)扇或者水冷等方式來(lái)散熱，這種方法散熱效率比較高，但是需要額外的功耗，會(huì)降低系統(tǒng)效率，并且設(shè)計(jì)難度很大。

　　這兩種散熱方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，做出的燈具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大不相同，但是綜合燈具設(shè)計(jì)的各方面因素以及結(jié)合LED自身的特點(diǎn)考慮，目前LED燈具核心的結(jié)構(gòu)還是基本相同的，既選用1W左右的LED焊接在鋁PCB板上，然后將PCB板通過(guò)合適的分布方式固定在燈具外殼上，再依靠外殼將熱量散出去。因此，其熱量的流動(dòng)大概可以簡(jiǎn)單歸結(jié)為如下過(guò)程：先是經(jīng)過(guò)焊接層將熱量傳給固定LED的鋁基板，然后鋁基板導(dǎo)熱膠將熱量傳給燈具外殼，再通過(guò)燈具外殼傳導(dǎo)給各個(gè)散熱片，最后靠散熱片與空氣間的對(duì)流將熱量散出。整個(gè)過(guò)程可以用如圖3所示的等效熱阻模型來(lái)表示。

圖3：LED路燈燈具等效熱阻模型示意圖（點(diǎn)擊圖片放大）。

　　熱量的傳遞主要有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。通過(guò)圖示分析可知，LED路燈燈具在散熱過(guò)程中主要是利用傳導(dǎo)和對(duì)流來(lái)散熱，因此燈具熱學(xué)系統(tǒng)的熱阻也就可以主要分為兩種：傳導(dǎo)型熱阻和對(duì)流型熱阻。對(duì)于傳導(dǎo)型熱阻，其阻值R=ΔxPKA；對(duì)于對(duì)流型熱阻，其阻值R=1PhA。其中：K是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，h是對(duì)流系數(shù)，A是導(dǎo)熱面積。

　　通過(guò)圖3可知，如果想將LED產(chǎn)生的熱量迅速傳遞到大氣環(huán)境，需要經(jīng)過(guò)的傳導(dǎo)熱阻包括LED器件與鋁基PCB板焊接層之間的焊接熱阻、鋁基PCB的熱阻、鋁基PCB板與燈具外殼之間的導(dǎo)熱硅膠層熱阻、以及燈具外殼的熱阻。由于焊接以及涂硅膠的工藝都有可能產(chǎn)生氣泡，引入空氣熱阻，并且這種氣泡是包圍在焊接層與硅膠內(nèi)部的，很難與外界氣體進(jìn)行交流，所以這部分熱阻可以看作空氣傳導(dǎo)熱量的傳導(dǎo)熱阻，而不是對(duì)流熱阻。

　　通過(guò)前面的公式我們可以看出，要降低各部分的熱阻，在材料選定的情況下，應(yīng)盡可能降低材料的厚度。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)K=202WPmmiddot;℃，鎳的導(dǎo)熱系數(shù)是93WPm·℃，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是01024WPm·℃，因此，為降低連接層的熱阻，就要盡可能減少焊接層和硅膠層中的氣泡。以下結(jié)合兩種具體的散熱方式來(lái)分析燈具的散熱設(shè)計(jì)。

　　3、被動(dòng)式散熱

　　被動(dòng)式散熱就是依靠燈具自身的外表面與空氣的自然對(duì)流將LED產(chǎn)生的熱量散出。這種散熱方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且很容易和燈具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，這就比較容易達(dá)到燈具的防護(hù)等級(jí)要求，并且成本較低，因此是目前采用最廣泛的一種散熱方式。但是這種散熱方式也有缺點(diǎn)，就是散熱效率不高，并且設(shè)計(jì)出的燈具因?yàn)橛写罅康纳崞鴮?dǎo)致燈具過(guò)重。同時(shí)由于散熱片的存在，使得燈具外殼比較容易積灰，會(huì)降低燈具的維護(hù)系數(shù)。

　　為科學(xué)地分析這種散熱的方式的散熱效率，我們選取了幾種采用這種散熱方式的LED道路照明燈具，每個(gè)樣品在同一封閉房間內(nèi)(保證空氣的對(duì)流系數(shù)相同)燃點(diǎn)3h(確保燈具已達(dá)到熱平衡)后，測(cè)量其結(jié)溫，為消除室溫波動(dòng)的影響，我們?cè)诜治鰰r(shí)采用相對(duì)溫度，即穩(wěn)態(tài)結(jié)溫與室溫的差值來(lái)衡量燈具的散熱效果，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1：采用同類散熱方式的燈具散熱效果比較

　　為衡量燈具的散熱效率，燈具的輸入功率以及機(jī)械參數(shù)也列在表1中。其中散熱片面積是整個(gè)燈具的有效外表面面積(不包括前端玻璃的面積)，單位功耗對(duì)應(yīng)的散熱面積由散熱片面積除以燈具的輸入功率得出，此指標(biāo)用來(lái)衡量燈具的散熱效率。為了更直觀的反映單位功耗對(duì)應(yīng)散熱面積與燈具結(jié)溫變化即燈具散熱效果之間的關(guān)系，我們將這兩項(xiàng)指標(biāo)做成散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4：?jiǎn)挝还膶?duì)應(yīng)散熱面積與燈具散熱效果之間的關(guān)系

　　通過(guò)分析表1數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，散熱面積越大，器件的結(jié)溫上升會(huì)越小，但是二者