ANSYS环境下的LED灯具热分析

1 引言

　　大功率高亮度发光二极管(LED)是2l世纪最具发展前景的一种新型冷光源。它的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能，当它在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能。由于光谱中不含红外成分，产生的热量不能靠辐射散发，故称LED为冷光源。

　　目前LED只有10%一25%的电能转化为光能，其余的能量转化为热能，如果LED芯片中的热量不能及时散发出去，会加速器件的老化，一旦LED的温度超过最高I临界温度，往往会造成LED永久性失效。据报道，LED在30℃下工作的寿命比在70℃下工作时长20倍，因此散热技术是LED灯具设计的关键技术之一。

　　热交换是通过导热、对流换热和辐射换热三种基本方式进行的，可分为瞬态热交换和稳态热交换。一般来说，LED灯具温度控制在100℃以下，工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质，设某一时刻下，物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为t=f(x，Y，z，r)，导热的微分方程可表达如下:

　　式中:P——密度，单位kg/;

　　c——比热容，单位J/(kg·K);

　　λ——热导率(导热系数)，单位为W/(m·K);

　　Φ——内热源强度，单位W/。

　　对于连续介质，二维对流换热的能量微分方程如下：

　　式中——比定压热容，对于固体和不可压缩流体，=c;u，移分别为x,y方向的速度。

　　上述热交换的矩阵形式如下：

　　式中[C(T)]——比热矩阵;

　　[K(r)]——传导矩阵，包含导热系数和对流系数;

　　{T}——节点温度向量;

　　{T}——温度对时间的导数;

　　[Q(r)]——节点热流向量。

　　2 分析项目描述

　　(1)灯体描述

　　图1 LED灯具模型

　　分析模型是一款某大型公司的LED灯具，外形规格Φ48×38，安装3颗1W的标准LED，安装直径ψ12(均布)。

　　(2)灯体模型简化

　　为了节省计算机资源的开支，由灯具的对称性，取1/3模型进行简化分析(图2)，单颗LED的封装结构及元器件组成见图3和图4：

　　图2 简化模型

　　图3 LED封装结构图

　　图4 单颗LED组成图

　　简化后的模型包括：灯体、铝基板、热沉和LED发光芯片。LED封装的塑料部分(热阻很大)、透镜、衬底及细导线等可省略。

　　根据文献，1W单颗LED热辐射带走的热量约为总热量的1.63%，只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料，对热导温度的降低影响不大(即使找到一种热导率高达7 W/m·K的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率仅为0.25 W/m·K的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.27l℃，实际上，热导率超过7W/m·K以上可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导)，LED芯片通过银胶与热沉导热，热沉与铝基板及铝基板与灯杯均通过硅胶导热，元件紧密结合，通常硅胶结合厚度为um级。为便于分析，可以忽略银胶和硅胶的影响。LED热沉材料常采用镀银铜，考虑到铜材纯度及银胶对热导的影响，实际导热系数比铜略低。

　　LED芯片的热承受力不大于110℃，考虑安全裕度(一般取为10～15℃)，芯片PN结温度不得大于95℃，该值也常作为热设计的参考阀值。

　　建立有限元模型时，考虑到网格划分，删除了对结果影响不大的圆角、小孔和部分小特征。

　　(3)若干关键问题讨论

　　1)灯体材料

　　灯体材料的选择主要考虑材料的导热能力、价格及工艺性。导热系数的大小表明金属导热能力的大小，导热系数越大，热阻越低，导热能力越强，导热系数的大小通常是通过实验的方法来确定的。在金属材料中，钻石和银的导热系数最高(见表1)，但成本太高;纯铜其次，但加工不容易。LED散热灯壳一般采用铝合金6063T5，这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉，通常由压铸或挤压成型，实验表明，热导率约为纯铝的1/2，随着温度上升，铝合金的热导系数呈增大的趋势，分析中忽略了铝合金热导系数随温度的变化。

　　表1 金属导热系数表

　　2)空气对流系数：

　　热交换过程广泛地存在于管内自然或强迫对流流动、气体外掠平板等其他现象中。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算结果，并且使用时很容易出现错误，所以通常情况下我们建议使用一些经验的数据。空气对流系数经验公式如下

　　内表面：

　　外表面：

　　式中h——空气对流系数;

　　v——空气流速。

　　一块0.2水平放置的平板，在自然对流情况下与空气的对流换热系数大约为5W/K，在空气流速为3m/s的强迫对流情况下与空气的对流换热系数大约为15W/K，考虑到该款LED灯多用于室内封闭环境，灯具外部对流系数取为5W/K，灯具内部对流环境取为2.5W/K，CAE分析时取灯具的环境温度为室温25℃。

　　3)发热量

　　散热问题是功率型LED需要解决的一个重点问题，散热效果的优劣直接关系到器件的可靠性。大家知道，增加LED的输入功率，LED的亮度会成比例地增强，但由于LED的效率远远低于100%，目前功率型LED只能将少数部分电能转化为光能，而剩下的约80%的能鼍转换为热能，考虑电源发热、辐射换热及其他能量交换，根据经验可取发热量为LED功率的80%，本模型中的发热量约为0.8W，芯片标称尺寸为1×1×0.25mm，发热率为3.2W/m，为了模拟芯片均匀发热，芯片的热阻取为一个较小值。

　　3 ANSYS分析及实验测试

　　热分析有限元软件采用在CAE(Computer Aided Engineering)行业领先的ANSYS软件。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。本次进行的是稳态热交换分析。

　　ANSYS有限元分析结果主要包括温度分布、温度梯度及热流密度(图5一图8)。

　　图5 温度分布

　　图6 温度分布关键点值

　　图7 温度梯度

　　图8 热流密度

　　我们选择了3个样品进行温度测试(测试点见图9)，光源分别为Cree(2个)和Handson(1个)，测试设备为多点温度巡检仪(型号TMP一2，如图10)，采用热电偶温度测试原理，测试结果如表2，测试环境为室温26.9℃，密闭房间。

　　图9 灯具测试点示意图

　　表2 LED灯体温度测试结果

　　图10多点温度巡检仪TMP-2

　　4 结果分析

　　ANSYS分析结果显示，最高温度出现在芯片及引脚部位，为66.27℃(远小于95℃)，最低温度为灯具外壳大端面处(外壳点3)，为53.82℃，一般来说，LED灯具的外壳设计温度须低于60℃。分析结果也显示了温度梯度及热传递矢量，可用于指导灯具元件的布局。热通主要集中在热沉和铝基板的结合区域，为热导的主要通道，更换不同厂商的光源，在相同的灯具功率下，温度分布及其温度梯度差异不大，与设计时的CAE分析结果对比如表3。

　　ANSYS分析是在室温25℃的密封环境下，外壳最低温度为53.82℃，中心温度66.27℃，换算到测试温度(26.9℃)下分别约55.7℃、68.2℃。考虑到测试设备、测试环境和有限元模型的简化，存在一定的误差，最大误差为3.5℃，中心引脚和外壳温度最大误差率分别为：

　　表3 实验测试温度与CAE分析结果对比

　　利用先进的计算机仿真分析，在设计时，我们就能比较准确的把握产品的温度分布情况，针对温升比较集中的地方进行散热结构改进、优化，满足客户和设计的需求，从而提升产品的质量和性能。