隧道照明LED散热模拟及优化设计.docx

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隧道照明LED散热模拟及优化设计

大功率隧道照明LED散热模拟及优化设计

摘　要：

翅片散热器是大功率隧道LED常用的散热形式，合理的设计翅片结构，对延长LED寿命、节约散热器成本、减小散热器重量至关重要。

通过ANSYSWORKBENCH对影响翅片散热器的两个重要因素，翅片高度和厚度进行了分析，实验发现芯片最高温度随着翅片的厚度和高度增加而减小，14个芯片温度的均匀性随着翅片的厚度和高度增加而增强。

通过多目标遗传优化算法对翅片进行优化设计，既降低了芯片温度，又减小了翅片散热器用材和重量，这对于解决LED翅片散热问题具有重要的工程意义。

关键词：

翅片；优化设计；多目标遗传优化算法；ANSYSWORKBENCH

1　引言

进入21世纪，LED凭借其寿命长、节能、环保、坚固耐用等特点，成为继白炽灯、钠灯、荧光灯之后的第四代照明光源，现在被广泛用于室内照明、户外显示屏，交通信号，公园夜景等景观和白光照明中[1]。

伴随节能减排、环境保护成为热点话题，半导体照明更是成为新的经济增长点，受到学术界和产业界的高度关注。

然而，目前大功率LED芯片的电光转换效率却很低，有（70～80）%的电能转换成了热能[2]。

如果热量不能及时有效地散出去，必然会引起LED芯片结温的升高。

过高的结温会导致输出光通量降低，影响光效[3]；还会使荧光粉效率降低[4]；其中，LED的寿命受影响巨大，随结温的升高呈指数形式下降[5]，LED芯片在30℃时工作的寿命约是70℃下工作时长的20倍左右[6]。

可见散热问题已经是LED照明普及和发展的最大技术瓶颈，因此，对大功率LED进行散热研究具有重要的理论和工程价值。

2　等截面直肋的导热数学模型

严格地说，翅片中的温度场是三维、稳态、无内热源、常物性、第三类边界条件的导热问题。

三维翅片模型，如图1所示。

但由于三维问题比较复杂，为便于分析，又不失实际问题的特点，对图1等截面直肋做如下假设[7]：

（1）材料导热热阻λ，表面传热系数h和沿肋高的横截面积Ac各自为常数；

（2）肋根温度为t0，环境温度t∞，且t0>t∞；

（3）翅片温度在垂直纸面方向不发生变化；

（4）表面换热热阻1/h远远大于翅片中的导热热阻δ/λ；

（5）翅片顶端视为绝热，即在肋端dt/dx=0；

于是我们可以将问题简化为沿翅片方向的一维导热问题，最后得翅片中的温度分布，如式

（1），式中：

p—参与换热的截面周长

为一常量，θ0=t0-t∞，翅片中温度分布为：

由翅片散入外界的全部热量都必须通过x=0处的肋根截面，可得x=0处热流量为：

图1　三维翅片模型

Fig.1AThree-DimensionalModeloftheFin

以上为避免三维问题的复杂性，简化为一维导热问题，并严格推导出了翅片散热量与翅片高度的关系。

但是，由于翅片厚度对肋根面积的影响，必然对散热产生很大的作用。

散热器随着翅片厚度的增加翅片间距也将变化，影响自然冷却效果[8]。

可见合理设计翅片的高度和厚度在工程设计中至关重要。

3　热分析

3.1　LED模型的建立

典型的LED铝基板封装结构，其散热通道为芯片、固晶胶、热沉、导热硅脂、铝基板、导热硅脂、散热器、空气[9]。

散热过程主要由各个部分间的热传导和散热器与周围空气的自然对流传热两个不同的传热环节组成。

在整个散热结构中，热传导主要功能是将灯具内部光源产生的热量导出，再由外部的翅片散发掉。

因此，对于大功率LED，外部散器的结构设计非常关键，直接影响整个系统的散热能力。

主要研究的是11片翅片散热器对30w大功率隧道LED散热的影响。

为了简化模型，不考虑各层在封装过程中附加的接触热阻得的简化模型，如图2所示。

各部分材料属性，如表1所示。

图2　LED简化模型图

Fig.2TheSimplifiedModel

表1　模型中材料的热导率

Tab.1ThermalConductivityoftheMaterial

结构部件　材料　导热系数W·m-1·K-1芯片GAN130基板AL1270散热器AL2178

3.2　LED热模拟

模拟时，环境温度是20℃。

由于封装材料导热能力差，[10]因此我们将封装材料封装的芯片表面和基板的部分表面都定义为绝热表面，其余为自然对流面。

散热器与空气对流模式为自然对流，空气对流系数12.5W/（m2·℃），LED灯具的总功率为30W，芯片14颗，芯片尺寸为（3×3×1）mm，假设有80%的输入功率转化为热量，则芯片的内部热生成为0.19W/mm3，仿真温度分布云图，如图3所示。

各芯片温度值，如表2所示。

图3　温度场分布

Fig.3TheTemperatureFieldDistribution

表2　十四个芯片温度值

Tab.2TheTemperatureValueofthe14Chips

芯片编号1234567温度（℃）38.28138.3838.45138.43938.45838.38638.289芯片编号891011121314温度（℃）38.28938.38638.45538.43938.45138.3838.279

从模拟结果我们可以发现，芯片最高温度38.458℃，温度分布呈中间高两边低。

同时可以发现，编号1-7的芯片最高温度不是4号，而是5号，编号8-14的芯片最高温度不是11号，而是10号。

通过观察，我们看到，4号和11号芯片刚好位于中间一个翅片的下方，这说明芯片与翅片的位置关系对于芯片的温度也有一定的影响。

4　散热器参数优化

4.1　高度和厚度分析

由于LED封装材料导热能力差，所以热量几乎全部通过散热器散出，而影响翅片散热器散热效果的两个主要因素，分别是翅片高度和厚度。

为探究二者在散热过程中的规律，以十四颗芯片中最高温度作为LED寿命的衡量标准，保持初始翅片高度和环境条件不变，翅片厚度在（1.5～20）mm间取十个样本值进行模拟，分析翅片厚度对散热的影响，如图4所示。

同理，翅片高度在（0～80）mm间取十个样本值进行模拟试验，如图5所示。

其中，绿线是芯片最高温度的极差图像，用以衡量14个芯片温度的均匀性；红线是芯片最高温度的图像，用以衡量LED的可靠性和寿命。

图4　翅片厚度与芯片最高温度、极差关系

Fig.4RelationshipBetweenMaxTemperature（Range）andThicknessoftheFin

图5　翅片高度与芯片最高温度、极差关系

Fig.5RelationshipBetweenMaxTemperature（Range）andHeightoftheFin

从两图我们可以知道，芯片最高温度随着翅片的厚度和高度增加而减小，14个芯片温度的均匀性随着翅片的厚度和高度增加而增强。

其中，高度在（0～30）mm对于均匀性影响显著，极差变化约0.37℃，高度在30mm以后影响不大；厚度在（1.5～20）mm的范围内对14个芯片温度的均匀性影响不明显，极差变化约0.06℃。

芯片最高温度随着翅片厚度变化影响不大，在（6～20）mm的翅片厚度变化范围，温度降幅约3℃；从图5可以看到，翅片高度在（0～40）mm范围对于最高温度的影响明显，40mm后继续增加高度来降低温度的效果减弱。

考虑到散热器的重量和用材成本，以及实际的结构，翅片厚度和高度不能无限增加。

因为11个翅片尺寸一样，我们以一个翅片的体积作为衡量用材和翅片重量的量，芯片最高温度为衡量寿命和可靠性的量进行数值模拟，如图6所示。

图6　芯片最高温度与一个翅片体积间的关系

Fig.6RelationshipBetweenMaxTemperature（Range）andVolumeofOneFin

从图6我们看到，存在不同体积对应相同芯片最高温度的情况，可见对翅片高度和厚度做合理的设计，必然可以实现既降低芯片温度，又减小翅片散S热器用材和重量。

4.2　优化设计

利用ANSYSWOEKBENCH响应曲面法对翅片高度和厚度进行优化设计，属于多目标优化问题，其一般数学表达式为：

式中：

Xi—第i个设计变量；Xi（L），Xi（U）—第i个设计变量的下限和上限；fm（x）—第m个子目标函数；M—子目标函数的总数；gj（x）—第j个不等式约束条件；J—不等式约束的总数；hk（x）—第k个等式约束条件；K—等式约束的总数。

通过LatinHypercubeSamplingDesign对实验进行优化设计，选用MOGA（多目标遗传算法）优化方法，以芯片最高温度最小（同时约束小于未优化）和一个翅片体积最小为优化目标，翅片厚度在（1.5～20）mm范围，高度在（0～80）mm范围寻找全局最优。

多目标遗传算法非常适合用于计算全局最大值/最小值，同时，可以规避局部最优的陷阱。

计算得以下Candidate1-3三个设计结果，如表3所示。

与未优化前LED模拟结果做对比可知，Candidate1-3都实现了芯片最高温度和单一翅片体积减小的目标。

其中，我们发现Candidate1翅片体积降幅最为明显，单个翅片的体积比原来的7101.1mm3减少约18%，但温度降幅较其他两点少；Candidate2在三个设计中温度降幅最大，比未优化前38.458℃减少约4.5%，单一翅片体积减少仅约4.4%。

Candidate3的温度降幅和用材降幅在以上两个结果之间，分别约为3.6%和10.7%。

表3　优化模拟结果

Tab.3TheOptimizedSimulationResults

名称　芯片最高温度（℃）翅片尺寸长度（mm）　宽度（mm）Candidate137.5275808.973.4241.5214Candidate236.7216787.678.9921.6524Candidate337.0596341.376.6541.5909单一翅片体积（mm3）

5　结论

通过构造简化的大功率隧道LED模型，对影响散热器效果的两个重要因素，翅片厚度和翅片宽度进行了分析，但受结构、美观、成本、重量等方面的限制，翅片厚度和高度不能无限增加。

为此在基于ANSYSWORKBENCH的基础上，提出优化方法，并得到三种最优设计方案，在满足芯片最高温度和散热器重量都降低的情况下，一种优化结果能实现芯片最高温度最多约4.5%的降幅，一种优化结果可实现翅片重量最多约18%的降幅。

这个方法在解决大功率LED散热问题上，具有重要的工程意义。

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