大功率LED散熱器導(dǎo)熱、散熱機(jī)理分析

1、本文主要運(yùn)用熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射以及能量守恒定律等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)LED散熱器的導(dǎo)熱、散熱機(jī)理進(jìn)行了簡單的分析，并就環(huán)境溫度、散熱器導(dǎo)熱系數(shù)、表面材料的輻射系數(shù)等因素對(duì)LED燈結(jié)溫的影響進(jìn)行了討論。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)部分分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。LED燈由于節(jié)能、環(huán)保、工作壽命長等特點(diǎn)而倍受社會(huì)各界的關(guān)注，然而大功率LED燈在工作過程中，除發(fā)光外同時(shí)產(chǎn)生大量熱能，而LED結(jié)溫(芯片溫度)的高低直接影響燈具的壽命。因此，大功率LED燈需要散熱器將熱量二次導(dǎo)出，并散發(fā)到環(huán)境中。通電開始LED燈及散熱器的溫度會(huì)不斷升高，工作一定時(shí)間后，LED燈產(chǎn)生的熱量與散熱器等散出的熱量達(dá)到一定的平衡，最終LED燈的結(jié)溫達(dá)到

2、一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。LED燈結(jié)溫的高低除與其本身的參數(shù)、實(shí)際功率有關(guān)外，還與散熱器的性能有關(guān)，下面就LED結(jié)溫與散熱器性能的關(guān)系及LED散熱器導(dǎo)熱、散熱的機(jī)理進(jìn)行分析、討論。一、LED散熱器導(dǎo)熱、散熱機(jī)理分析我們采用同樣的燈源、環(huán)境和連接方式，對(duì)不同的散熱器進(jìn)行分析，在實(shí)際LED結(jié)溫測試時(shí)，為了測溫點(diǎn)的穩(wěn)定性，我們給LED燈及散熱器外置了一個(gè)玻璃箱(參見圖1)。Q產(chǎn)=W*a*t式中：Q產(chǎn)：LED燈工作時(shí)產(chǎn)生的熱量W：LED實(shí)際功率a：系數(shù)(與發(fā)光效率有關(guān))t：時(shí)間產(chǎn)熱在一定條件下，LED燈工作時(shí)，同樣的燈源和電源產(chǎn)生的熱量可以簡單地認(rèn)為與其功率、時(shí)間等成正比，基本上是一個(gè)恒定值，與散熱器無關(guān)，可用下

3、式表示：散熱圖1所示LED散熱過程如下：首先，LED燈產(chǎn)生的熱量少部分傳遞給燈罩，大部分通過鋁基板傳給散熱器，再由散熱器上端面?zhèn)鲗?dǎo)至散熱器外表面，然后由散熱器外表面、燈罩(因?qū)嶒?yàn)條件相同，這里假定燈罩傳遞的熱量數(shù)值變化不大，是一個(gè)定值)等渠道通過熱輻射、對(duì)流等方式將熱量傳給玻璃箱內(nèi)的空氣，最后熱量再通過玻璃箱直接傳到環(huán)境空氣中。其中LED燈到散熱器外表面的傳熱方式以傳導(dǎo)為主，另外有少量熱(散熱器內(nèi)腔)通過對(duì)流和輻射等方式傳遞，為便于分析在此忽略不計(jì)。LED傳導(dǎo)到散熱器外表面的熱量應(yīng)與LED燈和散熱器外表面平均溫度的溫差(散熱器外表面的溫度因形狀復(fù)雜，為便于分析取平均值)成正比，與散熱器的傳熱面

4、積成正比，又與散熱器的形狀、材質(zhì)(或熱阻)等有關(guān)。散熱器外表面到玻璃箱內(nèi)空氣的傳熱，部分以輻射形式散出，根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，其數(shù)值主要與散熱器表面平均溫度與玻璃箱內(nèi)空氣溫度四次方的差、散熱器外表面積成正比，并與散熱器外表面材料的熱輻射系數(shù)有關(guān)。部分以熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流形式散出，因?yàn)榭諝鉄醾鲗?dǎo)系數(shù)很小，為便于分析，此處將散熱器對(duì)玻璃箱內(nèi)空氣的熱傳導(dǎo)暫忽略不計(jì)，自然對(duì)流散熱與散熱器外表面積、散熱器外表面與玻璃箱內(nèi)空氣溫度的溫差及散熱器表面空氣對(duì)流系數(shù)(在散熱器表面形狀相似，玻璃箱內(nèi)空氣基本一致的情況下，對(duì)流系數(shù)可近似認(rèn)為是定值)等成正比。綜合考慮，散熱器外表面到玻璃箱內(nèi)空氣總的散熱可簡單認(rèn)為主

5、要與散熱器表面平均溫度與玻璃箱內(nèi)空氣溫度若干次方的差、散熱器外表面積成正比，并與散熱器外表面材料的輻射系數(shù)等有關(guān)。玻璃箱熱量傳到環(huán)境空氣的方式應(yīng)當(dāng)與散熱器外表面散熱方式相同，同時(shí)存在熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，與散熱器本身無關(guān)。其中輻射散熱應(yīng)與玻璃箱溫度四次方和環(huán)境溫度四次方的差成正比，與玻璃箱材質(zhì)(輻射系數(shù)等)、外表面積等有關(guān);熱傳導(dǎo)也忽略不計(jì);自然對(duì)流散熱與玻璃箱、環(huán)境溫度的溫差成正比，與玻璃箱表面空氣的對(duì)流系數(shù)、外表面積等有關(guān)。因此，玻璃箱傳到環(huán)境的總熱量可以簡單認(rèn)為與玻璃箱溫度若干次方和環(huán)境溫度若干次方的差成正比，與玻璃箱材質(zhì)、外表面積、環(huán)境空氣等有關(guān)，與散熱器本身無關(guān)。根據(jù)以上分析，上

6、圖所示LED燈產(chǎn)熱、散熱平衡后，各階段的傳熱公式可簡單表示如下：Q散1-2=K*S傳*(T1-T2)/L=(T1-T2)*b*S傳 (K為導(dǎo)熱系數(shù)，L為傳熱距離)Q輻2-3=(T24-T34)*A*S散 (T為絕對(duì)溫度)Q流2-3=(T 2-T 3)*B*S散Q散2-3= Q輻2-3 + Q流2-3 + Q傳2-3 (T2m-T3m)*c*S散 (T為絕對(duì)溫度)Q輻4-5=(T44-T54)*E (T為絕對(duì)溫度)Q流4-5=(T4-T5)*FQ散4-5= Q輻4-5 + Q流4-5 + Q傳4-5(T4n-T5n)*d (T為絕對(duì)溫度)式中：Q散1-2：LED燈到散熱器外表面散出的熱量Q散2-

7、3：散熱器外表面到玻璃罩空氣散出的熱量Q輻2-3：散熱器外表面到玻璃罩空氣熱輻射散出的熱量Q傳2-3：散熱器外表面到玻璃罩空氣熱傳導(dǎo)散出的熱量(忽略不計(jì))Q流2-3：散熱器外表面到玻璃罩空氣自然對(duì)流散出的熱量Q散4-5：玻璃罩到環(huán)境空氣散出的熱量Q輻4-5：玻璃罩到環(huán)境空氣熱輻射散出的熱量Q傳4-5：玻璃罩到環(huán)境空氣熱傳導(dǎo)散出的熱量(忽略不計(jì))Q流4-5：玻璃罩到環(huán)境空氣自然對(duì)流散出的熱量T1：LED燈結(jié)溫T2：散熱器外表面平均溫度T3：玻璃罩內(nèi)空氣平均溫度T4：玻璃罩溫度(T4與T3應(yīng)該是正比關(guān)系，即T3越高T4也越高)T5：環(huán)境溫度A：系數(shù)(與散熱器表面材料輻射系數(shù)等有關(guān))B：系數(shù)(與散熱

8、器表面空氣對(duì)流系數(shù)有關(guān)，為便于分析此處可認(rèn)為是一恒定值)E：系數(shù)(與玻璃箱輻射系數(shù)、外表面積等有關(guān)，此處可認(rèn)為是一恒定值)F：系數(shù)(與玻璃箱外表面積及空氣對(duì)流系數(shù)等有關(guān)，此處可認(rèn)為是一恒定值)b：系數(shù)(與散熱器導(dǎo)熱系數(shù)即：材質(zhì)、形狀、厚度、LED鋁基板與散熱器的封裝等有關(guān))c：系數(shù)(與散熱器表面材料輻射系數(shù)等有關(guān))d：系數(shù)(與玻璃箱外表面積、空氣對(duì)流系數(shù)等有關(guān)，與散熱器無關(guān)，此處可認(rèn)為是一恒定值)m=1<M<4，此處可近似為一常數(shù)< p> n=1<N<4，此處可近似為一常數(shù)< p> s散=散熱器有效散熱面積S傳=散熱器有效平均傳熱面積LED產(chǎn)熱、

9、散熱過程分析LED燈在發(fā)光的同時(shí)不斷產(chǎn)生熱量，并通過散熱器最終傳到環(huán)境中，經(jīng)過一定時(shí)間后產(chǎn)熱、散熱達(dá)到平衡，而LED燈的溫度也由最初時(shí)的不斷升高到相對(duì)穩(wěn)定。在此，我們選用同樣的燈源、電源，并假設(shè)環(huán)境溫度是一定的，根據(jù)能量守恒定律，在LED燈達(dá)到熱平衡后下式應(yīng)該成立：Q產(chǎn)= Q散總=Q散1-2+Q罩(燈罩部位散出的很少熱量，假設(shè)為定值，下同)= Q散2-3+Q罩= Q散4-5同一散熱件LED鋁基板與散熱器封裝不同(即系數(shù)b不同，封裝差，b小)，其它條件相同：因相同散熱器，同樣的燈源、電源、環(huán)境溫度和玻璃箱，所以熱平衡以后，Q產(chǎn)、Q散1-2、Q散2-3、Q散4-5 、c、d、T5、S傳、S散是一定

10、的。根據(jù)前述及由公式Q散4-5=(T4n-T5n)*d可知：不同封裝的散熱器T4是相同的，當(dāng)然T3也是相同的;由公式Q散2-3=(T2m-T3m)*c*S散可知T2是相同的;對(duì)封裝差的散熱器，系統(tǒng)熱阻增大，因此系數(shù)b偏小，而Q散1-2是相同的，代入公式Q散1-2=(T1-T2)*b*S傳，可知封裝差的散熱器(T1-T2)較大，故T1較高。即同一散熱器，同樣的燈源、電源、環(huán)境溫度，熱平衡后，封裝差的散熱器LED結(jié)溫較高，而散熱器外表面溫度基本不變。LED燈實(shí)際功率不同(功率越大，Q產(chǎn)越大)，其它條件相同：因散熱器、封裝、環(huán)境溫度和玻璃箱相同，則b、c、d、T5、S傳、S散是一定的。功率越大，Q產(chǎn)

11、越大，因此Q散1-2、Q散2-3、Q散4-5也越大。由Q散4-5=(T4n-T5n)*d可知：功率越大T4越大，那么T3也越大;再由Q散2-3=(T2m-T3m)*C*S散可知功率越大T2越大;同理由Q散1-2=(T1-T2)*b*S傳可知功率越大，T1也越大。即同一散熱器，封裝和環(huán)境溫度相同，功率增大，熱平衡后，散熱器外表面溫度、LED結(jié)溫均升高。環(huán)境溫度不同(T5不同)，其它條件相同：因散熱器、燈源、電源、封裝以及玻璃箱相同，則Q產(chǎn)、Q散1-2、Q散2-3、Q散4-5、c、d、S傳、S散是一定的，如果T5升高，由公式Q散4-5=(T4n-T5n)*d可知：T4會(huì)相應(yīng)升高，T3也會(huì)升高;同理

12、，T2、T1應(yīng)該也相應(yīng)升高。即同一散熱器，封裝和功率相同，環(huán)境溫度升高，熱平衡后，散熱器外表面溫度、LED結(jié)溫都相應(yīng)升高。形狀相同或相似的不同散熱器LED燈產(chǎn)熱、散熱達(dá)到熱平衡后，因?yàn)闊粼?、電源相同，?duì)形狀相同或相似的不同散熱器A、B，應(yīng)該有以下等式成立，即：Q產(chǎn)A=Q產(chǎn)B= Q散 A= Q散B，因此，Q散A4-5= Q散B4-5，即(TAn4-TAn5)*dA= (TBn4-TBn5)*dB。假定環(huán)境溫度一樣，玻璃箱相同，則TA45=TB45，dA=dB，那么，TA4= TB4，TA3=TB3。即形狀相同或相似的不同散熱器，只要電源、燈源一樣，環(huán)境溫度和玻璃箱相同，玻璃箱內(nèi)空氣平均溫度是相同

13、的。同理，形狀相同或相似的不同散熱器A、B，使用同樣的LED燈，電源和環(huán)境溫度相同，達(dá)到熱平衡后：Q散A2-3=Q散B2-3，即(TAm2-TAm3)*CA*S散A=(TBm2-TBm3)*CB*S散B成立。不同情況分述如下：(1)散熱器A、B材質(zhì)相同，封裝相同，形狀相同或相似，散熱面積不同(假定S散A>S散B)：散熱器材質(zhì)相同，那么散熱器的表面材料相同，輻射系數(shù)應(yīng)該相同，即CA= CB;因S散A>S散B，若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S散A=(TBm2-TBm3)*CB*S散B成立，必然TAm2-TAm3<TB1。即同樣材質(zhì)、形狀相似的散熱器，電源、燈源一樣，封裝和

14、環(huán)境溫度相同的情況下，散熱面積越大，散熱器表面平均溫度越低，LED結(jié)溫越低。<> (2)散熱器A、B形狀相同或相似，材質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)以及表面材料輻射系數(shù)不同(假定C散A>C散B，即A散熱器輻射效果優(yōu)于B散熱器)：外觀相同或相似，則S散AS散B。若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S散A=(TBm2-TBm3)*CB*S散B成立，必然TAm2-TAm3< TBm2-TBm3，前已知TA3=TB3，所以TA2<> 如果A散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)高于B散熱器，同時(shí)封裝等于或好于B散熱器(即bA>bB)：因S傳AS傳B,若要等式(TA1-TA2)*bA*S傳A=(

15、TB1-TB2)*bB*S傳B成立，必然TA1-TA2<TB1-TB2，前已知TA2<TB2，所以TA1<TB1。即同樣形狀，不同材質(zhì)散熱器，電源、燈源一樣，環(huán)境溫度相同的情況下，表面材料輻射效果好的散熱器，其導(dǎo)熱系數(shù)越高，封裝越好，熱平衡后，LED燈結(jié)溫越低，同時(shí)散熱器外表面溫度也較低。< p> 如果A散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)高于B散熱器，但封裝不如B散熱器：則bA不一定大于bB，也就是TA1-TA2不一定小于TB1-TB2，所以TA1不一定小于TB1。即同樣形狀、不同材質(zhì)的散熱器，電源、燈源一樣，環(huán)境溫度相同的情況下，表面材料輻射效果好的散熱器，在其導(dǎo)熱系數(shù)高但封

16、裝較差的時(shí)候，LED燈結(jié)溫也不一定低。眾所周知，目前市場上大功率LED散熱器以壓鑄鋁材質(zhì)為主，那么導(dǎo)熱系數(shù)比鋁高、輻射效果比鋁好的材料做成的散熱器是更理想的。但據(jù)我們所知，目前這種材料是沒有的，即使有，做成LED燈散熱器，其價(jià)格應(yīng)該非常昂貴。如果A散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于B散熱器，同時(shí)封裝次于或等于B散熱器(即bATB1-TB2，前已知TA2<TB2，經(jīng)簡單數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知，TA1大于、等于或小于TA2均有可能。即電源、燈源一樣，環(huán)境溫度相同的情況下，相同或相似同形狀、不同材質(zhì)的散熱器相比，表面材料輻射效果好的散熱器，在其導(dǎo)熱系數(shù)低(或熱阻大)的情況下，其結(jié)溫比導(dǎo)熱系數(shù)大(或熱阻小)的散熱器

17、高、相同或低均有可能。其中BA、BB相差較小，TA1越可能低于或等于TB1，否則TA1會(huì)大于TB1。< p> 如果A散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于B散熱器但封裝好于B散熱器：則bA就不一定小于bB，可能大于或等于bB，這時(shí)就有可能TA1-TA2TB1-TB2，因TA2<TB2，所以此時(shí)TA1小于TB1的可能性較大。即相同或相似形狀、不同材料的散熱器，表面材料輻射效果好、導(dǎo)熱系數(shù)差的散熱器，在封裝較好的情況下，LED燈結(jié)溫更有可能比輻射效果差、導(dǎo)熱性好的散熱器低。< p> (3)散熱器A、B形狀相同或相似，封裝相同，材質(zhì)不同但表面材料輻射系數(shù)相同或相近(即C散AC散B)：

18、外觀相同或相似，則S散AS散B。若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S散A=(TBm2-TBm3)*CB*S散B成立，必然TAm2-TAm3TBm2-TBm3，前已知TA3=TB3,因此TA2TB2;同理，熱平衡后，(TA1-TA2)*bA*S傳A=(TB1-TB2)*bB *S傳B，在此S傳AS傳B，從公式可以看出，如果bA>bB則TA1>TB1;如果bA=bB則TA1TB1;如果bA<BB則TA1<TB1。即相同或相似形狀、不同材料的散熱器，如果表面材料輻射系數(shù)相同或接近，則散熱器外表面平均溫度也相同或相近;在封裝相同的情況下，材料導(dǎo)熱系數(shù)越好的散熱器LED結(jié)溫越

19、低，當(dāng)材料導(dǎo)熱系數(shù)相同或接近時(shí)，LED結(jié)溫也相近。< p> 通過上述分析，散熱器對(duì)LED燈結(jié)溫的影響因素歸納起來主要有：散熱器的形狀、散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)、表面材料對(duì)空氣的輻射效率、散熱面積等。另外，鋁基板與散熱器的封裝、LED燈的功率以及環(huán)境溫度等也影響LED的結(jié)溫。因此，要想提高散熱器的散熱效果，可以通過提高散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)，增加散熱器表面材料的輻射效果，增大散熱器外表面積或改進(jìn)鋁基板與散熱器的封裝來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用過程中，散熱器對(duì)LED燈結(jié)溫的影響更為復(fù)雜。二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證下面我們通過改變LED散熱器材質(zhì)、散熱面積、環(huán)境溫度、LED測試功率等因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)以上散熱器散

20、熱機(jī)理分析中的部分情況進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)設(shè)備四通道溫度測試儀：精度0.1可調(diào)直流電源：精度 電壓0.1V,電流0.01A監(jiān)測電壓表：精度0.01V監(jiān)測電流表：精度0.1A電腦如附圖2圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備測試樣品 1003壓鑄鋁散熱器：市購 1004壓鑄鋁散熱器：市購 HF-1003Thertrans鋁塑散熱器(內(nèi)置鋁套)：上海合復(fù)復(fù)合材料科技公司如附圖3圖3 測試樣品測試燈源：三顆燈珠(串聯(lián))LED溫度計(jì)量點(diǎn)及測量方式LED燈角溫度：感溫線與燈角錫焊(近似等同于結(jié)溫)散熱器上端面鋁板溫度：感溫線與鋁板螺絲連接散熱器外表面葉片溫度：感溫線與葉片鐵夾固定(位置固定)(近似散熱器表面平均溫度)玻璃罩內(nèi)空氣溫度

21、：感溫線在玻璃罩內(nèi)固定位置放置(近似玻璃罩內(nèi)空氣平均溫度)環(huán)境溫度：數(shù)顯溫度計(jì)如附圖4圖4 溫度計(jì)量點(diǎn)及測量方式測試結(jié)果每組實(shí)驗(yàn)，待溫度曲線穩(wěn)定一定時(shí)間后，讀取各部位相應(yīng)數(shù)據(jù)，并記入下表。序號(hào)  散熱器散熱器外表面積?2測試功率WLED結(jié)溫散熱器上端面鋁板溫度散熱器外表面葉片溫度玻璃罩內(nèi)空氣溫度環(huán)境溫度11003鋁散熱器83066W(12.0V/0.50A)77.171.150.125.822.821003鋁散熱器830680.975.353.729.526.531004鋁散熱器891073.266.9.46.625.322.74 HF-1003Thempoxy鋁塑散熱器831877.471.847.225.522.65 HF-1003Thempoxy鋁塑散熱器831880.170.647.625.622.96 HF-1003Thempoxy鋁塑散熱器83186.9W(12.4V/0.55A)84.678.150.727.422.7表1 測試結(jié)果結(jié)果分析同樣的散熱器，相同功率，封裝基本相同(可以從LED結(jié)溫與散熱器上端面鋁板溫度的差值大小判斷，差值越大，封裝越差)，環(huán)境溫度不同(參見測試1、2)：從測試結(jié)果可以看出，測試2環(huán)境溫度高，因此玻璃罩內(nèi)空氣溫度、散熱器外表面溫度、LED結(jié)溫都相應(yīng)升高。同樣的