本帖最后由 zjlmhwq 于 2011-3-28 17:17 编辑

大功率LED典型热沉结构散热性能分析

大功率LED照明属固态照明，具有寿命长、安全环保、高效节能、响应速度快等优点，但尚有一些技术急需解决，主要为：光提取效率低、发热量大、价格较高。目前LED的发光效率仅能达到10％～20％，80％～90％的能量转化成了热量［1］，使得大功率LED的热流密度超过150W/cm2，而常规的铜/铝散热翅片一般仅能满足50W/cm2散热需求［2］。如果热量不能及时有效地散发出去，将会使LED芯片结温升高，从而导致输出光功率减小、芯片蜕化、波长“红移”、器件寿命缩短等不良后果。因此，如何解决散热问题成为LED推广应用的关键。
　　LED器件的散热分为一次封装散热和二次热沉散热两部分，一次封装散热主要是通过改善LED自身封装材料和结构进行散热，二次热沉散热主要是通过设计开发外部的热沉结构对LED进行热控制。因此，要真正实现大功率LED的有效散热，需同时解决好一次散热和二次散热问题。
　　常见的二次热沉散热结构是将多颗大功率LED阵列在铝热沉上，如图1所示。随着应用LED功率的增大，出现了热管散热、液体冷却散热、热电制冷散热等新型二次热沉散热结构。鲁祥友等［3］提出了一种将大功率LED散热和回路热管传热相结合的用于大功率LED冷却的热管散热器，并对其传热性能和整体的均温性进行了实验研究。袁柳林［4］设计了大功率LED阵列封装的微通道制冷结构，并用热分析软件模拟了其热学性能及其参数的影响。唐政维等［5］设计了一种采用半导体致冷技术散热的集成大功率LED，不仅散热效果良好，且还可以使LED器件在高温、震荡等恶劣环境中正常工作。PetroSki［6］开发了一种新型热沉来实现大功率LED的冷却，该热沉基于自然对流实现换热，采用圆柱结构，周围布满了纵向分布的翅片，该设计可实现散热效果各向同性。S.W.Chau等［7］提出了一种采用电流体动力学方法（EHD）冷却LED的装置，由气体放电得到离子风进行强迫对流散热，其对流换热系数是自然对流的7倍，使热沉温度保持在20～30℃，并研究了不同条件下的散热效果。LiuChunkai等人［8］将硅基热电制冷器（te）与倒装大功率LED集成，研究了大功率LED的性能，证实硅基热电制冷器的热阻可降低至零，并能有效提高出光效率，降低Pn结结温，是一种有效的主动冷却方式。
图1：典型二次热沉散热结构　　当前众多LED路灯示范工程中大部分采用全铝热沉作为二次热沉散热结构。随着微热管技术的发展及LED器件功率的增大，微热管技术已经越来越多地应用到LED器件的二次热沉散热结构中。为了研究不同热沉结构的实际散热效果，本文设计了具有三种不同热沉结构的大功率LED照明装置，并对其散热性能进行了实验对比。
　　1、大功率LED照明装置典型热沉结构性能分析
　　1.1典型热沉散热结构设计
　　图2所示为具有全铝热沉型散热结构的大功率LED照明装置（结构Ⅰ）。LED灯主要通过MCPCB板、铝基板、铝热沉肋基的热传导和铝热沉肋片的热传导及自然对流将热量散发到空气中。此结构主要利用高热导率金属铝合金作为热传导介质，利用铝肋片作为扩展表面增强表面传热能力。

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