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专家解析:大功率LED典型热沉结构散热性能分析(附图)

导读: 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。

  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,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。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

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