LED道路照明灯具散热系统分析

《LED道路照明灯具散热系统分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、LED道路照明灯具散热系统分析　　前言　　在我国的总用电量中，照明用电大约占13%。而城市公共照明尤其是道路照明用电在整个照明领域占有庞大的份额。近年来，随着国家建设节约型社会战略的提出，作为一种高效节能的新型光源，在其生产工艺以及性能不断进步的基础上，LED进入道路照明领域已经成为一种必然趋势。　　1、LED的结温和性能的关系　　目前限制LED道路照明灯具发展的瓶颈主要有两个：一个是成本。目前LED光源相对传统光源来说，价格还是偏高。但是随着生产工艺的进步以及国内企业的广泛参与，LED成本会逐步下降。另一个瓶颈是散热。由于LED属于半导体发光器件，而半导体器件随着

2、自身温度的变化，其特性会有明显的变化。对于LED，结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面：　　(1)减少LED的外量子效率;　　(2)缩短LED的寿命;　　(3)造成LED发出光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。　　其中，器件的外量子效率是与LED光效直接相关的量，外量子效率的下降将会直接导致LED光效的降低。随着器件PN结温度的上升，白光LED芯片的发光主波长会向长波方向移动。统计资料表明：在100℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，也会导致LED输出光通量的减少。图1是CREE公司生产的X2

3、Lamps系列产品(a)与LUMILEDS公司生产的LUXEONK2系列产品(b)相对光输出随结温的变化曲线，这两种产品都是现在技术较成熟的大功率白光LED。从图1可以发现，当器件结温上升到65℃时，二者的光输出相对于室温时会下降10%左右。　　　　图1：LED相对光输出随结温的变化曲线　　对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布，芯片的失效率也会上升。研究表明：当温度超过一定值时，LED的失效率将呈指数规律攀升，LED的温度每上升2℃，可靠性下降10%。　　图2是LUMILEDS生产的LUXEO

4、NK2系列产品结温与寿命的关系。从图中可以看到，当结温上升时，LED的光衰会明显加快，寿命也明显降低。光效、色温、寿命等参数都是照明应用中非常重要的指标，因此如何通过合理的散热设计，控制LED灯具的温升是LED进入道路照明领域亟需解决的问题。　　　　图2：LED结温与寿命关系曲线　　2、路灯灯具热学分析模型　　要想分析路灯的热学传导模型，首先要选出温度基准，就是我们要最终分析和控制的温度指标。现在市场上很多LED灯具产品给出的温升指标大部分都是基于灯具外壳的温度相对于环境温度的差异，用这种方法来衡量灯具散热性能存在着一定的局限性。因为与LED器件性能直接相关的是其P

5、N结的结温，我们关心的最终指标是结温的高低。不同灯具在LED光源选取、灯具材料使用、生产工艺以及散热设计等各方面都有很大不同，导致从LED的PN结到灯具外壳的热阻有很大的差异。在这种情况下，用灯具外壳温度相对环境温度的温升来判断灯具的散热性能是不科学的。我们必须通过一定方法测量出芯片的结温，然后通过结温的变化来衡量灯具散热设计的优劣。　　综合考虑道路照明的各项要求，以及路灯的在配光、机械、防护等级等各方面的要求，目前应用在LED道路照明灯具中的主要散热方式有两种：第一种是被动式散热，即通过安装散热片来散热。这种方式结构简单，但散热效率比较低;第二种是主动式散热，即通

6、过外加风扇或者水冷等方式来散热，这种方法散热效率比较高，但是需要额外的功耗，会降低系统效率，并且设计难度很大。　　这两种散热方式各有优缺点，做出的灯具产品结构大不相同，但是综合灯具设计的各方面因素以及结合LED自身的特点考虑，目前LED灯具核心的结构还是基本相同的，既选用1W左右的LED焊接在铝PCB板上，然后将PCB板通过合适的分布方式固定在灯具外壳上，再依靠外壳将热量散出去。因此，其热量的流动大概可以简单归结为如下过程：先是经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板，然后铝基板导热胶将热量传给灯具外壳，再通过灯具外壳传导给各个散热片，最后靠散热片与空气间的对流将热量

7、散出。整个过程可以用如图3所示的等效热阻模型来表示。　　　　图3：LED路灯灯具等效热阻模型示意图　　热量的传递主要有三种方式：热传导、热对流和热辐射。通过图示分析可知，LED路灯灯具在散热过程中主要是利用传导和对流来散热，因此灯具热学系统的热阻也就可以主要分为两种：传导型热阻和对流型热阻。对于传导型热阻，其阻值R=ΔxPKA;对于对流型热阻，其阻值R=1PhA。其中：K是材料的导热系数，h是对流系数，A是导热面积。　　通过图3可知，如果想将LED产生的热量迅速传递到大气环境，需要经过的传导热阻包括LED器件与铝基PCB板焊接层之间的焊接热阻、铝基PCB的热阻、