LED器件的散熱分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱兩部分,，一次封裝散熱主要是通過(guò)改善LED自身封裝材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，二次熱沉散熱主要是通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)外部的熱沉結(jié)構(gòu)對(duì)LED進(jìn)行熱控制,。因此,，要真正實(shí)現(xiàn)大功率LED的有效散熱，需同時(shí)解決好一次散熱和二次散熱問(wèn)題,。常見的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上,，如圖1所示。隨著應(yīng)用LED功率的增大,，出現(xiàn)了熱管散熱、液體冷卻散熱,、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu),。魯祥友等提出了一種將大功率LED散熱和回路熱管傳熱相結(jié)合的用于大功率LED冷卻的熱管散熱器，并對(duì)其傳熱性能和整體的均溫性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,。袁柳林設(shè)計(jì)了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結(jié)構(gòu),，并用熱分析軟件模擬了其熱學(xué)性能及其參數(shù)的影響。唐政維等設(shè)計(jì)了一種采用半導(dǎo)體致冷技術(shù)散熱的集成大功率LED,，不僅散熱效果良好,，且還可以使LED器件在高溫、震蕩等惡劣環(huán)境中正常工作,。PetroSki開發(fā)了一種新型熱沉來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率LED的冷卻,，該熱沉基于自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)換熱，采用圓柱結(jié)構(gòu),，周圍布滿了縱向分布的翅片,，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動(dòng)力學(xué)方法（EHD）冷卻LED的裝置,，由氣體放電得到離子風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流散熱,，其對(duì)流換熱系數(shù)是自然對(duì)流的7倍，使熱沉溫度保持在20～30℃,，并研究了不同條件下的散熱效果,。LiuChunkai等人將硅基熱電制冷器（te）與倒裝大功率LED集成，研究了大功率LED的性能,，證實(shí)硅基熱電制冷器的熱阻可降低至零,，并能有效提高出光效率，降低Pn結(jié)結(jié)溫,，是一種有效的主動(dòng)冷卻方式,。

圖1：典型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前眾多LED路燈示范工程中大部分采用全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結(jié)構(gòu),。隨著微熱管技術(shù)的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用到LED器件的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)中,。為了研究不同熱沉結(jié)構(gòu)的實(shí)際散熱效果,，本文設(shè)計(jì)了具有三種不同熱沉結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置，并對(duì)其散熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比,。

　　1,、大功率LED照明裝置典型熱沉結(jié)構(gòu)性能分析

　　1.1典型熱沉散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅰ）。LED燈主要通過(guò)MCPCB板,、鋁基板,、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉肋片的熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流將熱量散發(fā)到空氣中。此結(jié)構(gòu)主要利用高熱導(dǎo)率金屬鋁合金作為熱傳導(dǎo)介質(zhì),，利用鋁肋片作為擴(kuò)展表面增強(qiáng)表面?zhèn)鳠崮芰Α?/p>

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖2：鋁熱沉型散熱器

　　圖3所示為具有微熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅱ）,。LED燈主要通過(guò)MCPCB板、鋁基板,、微熱管的熱傳導(dǎo)及鋁肋片的熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流將熱量散發(fā)到空氣中,。結(jié)構(gòu)Ⅱ與結(jié)構(gòu)Ⅰ的差異在于利用了極高熱導(dǎo)率的微熱管作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用多個(gè)獨(dú)立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴(kuò)展表面增強(qiáng)散熱能力,，但肋片之間的間隙不能過(guò)小以至于阻礙空氣的流動(dòng),，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)減小［9］,；且各薄鋁翅片進(jìn)行了表面鍍鎳處理,，以增強(qiáng)抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導(dǎo)率極高的導(dǎo)熱元件,，具有響應(yīng)快,、等溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，熱阻可忽略不計(jì),。

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖3：微熱管散熱器

　　圖4所示為具有微熱管－風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅲ）,。此結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風(fēng)扇系統(tǒng),，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)強(qiáng)迫對(duì)流散熱,，當(dāng)器件溫度較低時(shí)，風(fēng)扇不運(yùn)轉(zhuǎn),，肋片進(jìn)行自然對(duì)流散熱,。

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖4：微熱管－風(fēng)扇散熱器

　　1.2 三種典型熱沉的等效熱阻模型

　　熱能傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射,。對(duì)于上述三種照明裝置,，主要利用了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流這兩種熱傳遞方式。

　　熱傳遞的基本方程為：　　

 　　式中,，λ是比例系數(shù),，稱為熱導(dǎo)率,，又稱導(dǎo)熱系數(shù)（thermaLConduCtivity）。

 溫度分布為：

　　式中,，α＝λ/ρC稱為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)（therma Ldiffu Sivity）,。

 　　熱對(duì)流基本方程為：

　　式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),，也稱對(duì)流換熱系數(shù),。

　　根據(jù)上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴(kuò)散和電荷擴(kuò)散之間存在的類比關(guān)系,，可以定義導(dǎo)熱熱阻為：

　　則對(duì)流熱阻為：

 上述三種照明裝置結(jié)構(gòu)類似,，則其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，表達(dá)式為：

 式中,，rtotaL為總熱阻,，rjS為從結(jié)點(diǎn)到內(nèi)部熱沉的熱阻，rSP為從內(nèi)部熱沉到MCPCB板的熱阻,，rPb為從MCPCB板到鋁基板的熱阻,，rbh為從鋁基板到熱沉的熱阻，rha為從熱沉到空氣的熱阻,。

圖5：等效熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

　　1.3、實(shí)驗(yàn)研究及性能分析

　　1.3.1,、實(shí)驗(yàn)方法

　　對(duì)上述三種結(jié)構(gòu)的照明裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,，采用k型熱電偶對(duì)鋁基板及翅片的關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行接觸式測(cè)量。測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度為31℃,，風(fēng)速為0.8m/S,。圖6所示為測(cè)量點(diǎn)的位置分布圖，結(jié)構(gòu)與圖3（a）結(jié)構(gòu)相同,，用實(shí)線連接的點(diǎn)為熱電偶測(cè)量點(diǎn),，實(shí)線連線成斜n型分布，由對(duì)稱性畫出虛線連線,，可看出其基本覆蓋特征點(diǎn),，是一種合理的測(cè)量分布。由于結(jié)構(gòu)Ⅲ的密封性,，只取C,、d、e,、Ｇ四個(gè)點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量,。

圖6：位置分布圖

　　1.3.2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　測(cè)得各照明裝置的基板,、翅片平均溫度如表1所示,。三種結(jié)構(gòu)中由LED燈到鋁基板的結(jié)構(gòu)相同,，即由LED芯片到鋁基板的熱阻是相等的，不等的是外部熱沉到空氣的熱阻,。所以,，由鋁基板的溫度即可比較各結(jié)構(gòu)中LED芯片Pn結(jié)的結(jié)溫。由表1可知,，結(jié)構(gòu)Ⅲ的Pn結(jié)結(jié)溫是最低的,，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結(jié)結(jié)溫由其外部熱沉的二次散熱決定,，外部熱沉的熱阻由傳導(dǎo)介質(zhì)的熱導(dǎo)率,、肋片的表面總效率、空氣的對(duì)流換熱系數(shù)決定,，三者都是越大越好,。三種結(jié)構(gòu)中，微熱管的導(dǎo)熱率是極高的,，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的,，風(fēng)扇運(yùn)行后其對(duì)流換熱系數(shù)是較大的。

表1：各照明裝置平均溫度分布

　　圖7,、8,、9所示分別為結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ,、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖,，可以看出：（1）三種結(jié)構(gòu)各自的鋁基板和翅片溫度分布基本一致，且翅片溫度低于鋁

（a）基板

（b）翅片

圖7結(jié)構(gòu)Ⅰ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片

圖8結(jié)構(gòu)Ⅱ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片

圖9：結(jié)構(gòu)Ⅲ溫度分布圖

　　基板溫度,，符合熱傳導(dǎo)溫度分布規(guī)律,；（2）結(jié)構(gòu)Ⅰ的溫度一直處于緩慢增長(zhǎng)當(dāng)中，說(shuō)明LED芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的散發(fā)到空氣中,，導(dǎo)致溫度增加,；（3）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),，而結(jié)構(gòu)Ⅰ則需較長(zhǎng)時(shí)間,，因?yàn)槲峁艿臒釘U(kuò)散系數(shù)大，其對(duì)熱環(huán)境的改變反應(yīng)快,，容易到達(dá)新的平衡狀態(tài),；（4）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度增長(zhǎng)曲線分布基本一致,，溫度快速上升至拐點(diǎn),，后溫度基本穩(wěn)定在某一值，因結(jié)構(gòu)Ⅲ中的風(fēng)扇是當(dāng)腔內(nèi)的溫度上升至45℃時(shí)啟動(dòng),，所以其溫度達(dá)拐點(diǎn)后溫度略有下降,；（5）對(duì)比三種結(jié)構(gòu)的翅片溫度分布可知,，結(jié)構(gòu)Ⅰ的翅片溫度分布最為均勻，而結(jié)構(gòu)Ⅱ翅片溫差最大,，由于其采用相互靠得很緊的薄肋片,，使得中部翅片間的流體流動(dòng)受到阻礙，對(duì)流換熱系數(shù)稍有減小,，溫度升高,。

　　1.3.3結(jié)溫的計(jì)算及壽命預(yù)測(cè)

　　利用傳熱學(xué)熱阻基本公式：

　　式中，rj－ref為Pn結(jié)結(jié)點(diǎn)到某個(gè)參照點(diǎn)熱阻,，Δtj－ref為結(jié)溫tj與參照點(diǎn)溫度tref溫差,，Pd為耗散功率。

　　可將公式改寫為：

　　根據(jù)上述三種照明裝置的測(cè)試情況,，可將鋁基板的溫度定為參照點(diǎn)的溫度tref,，則求出Pn結(jié)點(diǎn)到鋁基板的熱阻rj－ref，即可求出結(jié)溫,。根據(jù)上述熱阻模型公式,，，即為L(zhǎng)ED封裝熱阻與MCPCB板熱阻之和,。單顆1WLED的封裝熱阻為9℃/W,，0.8mmMCPCB板的熱阻為7℃/W，單顆3WLED的封裝熱阻為14℃/W（注：不同公司或型號(hào)的LED熱阻有所不同）,。由于結(jié)構(gòu)Ⅰ尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài),，不能計(jì)算其結(jié)溫，結(jié)構(gòu)Ⅱ和Ⅲ中LED結(jié)溫如表2所示,。

表2：各照明裝置結(jié)溫分布

　　結(jié)構(gòu)Ⅰ在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)其運(yùn)行至80min時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況,，為防止發(fā)生意外,，停止測(cè)試。由此可知,，結(jié)構(gòu)Ⅰ的散熱效果是不可靠的,。由表2可知，結(jié)構(gòu)Ⅱ的結(jié)溫較高,，但仍在其允許的工作溫度范圍內(nèi),，主要由于其輸入功率較大，單顆3WLED的熱阻也較大,，且翅片與空氣進(jìn)行自然對(duì)流散熱,，換熱系數(shù)較小，因此需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),。結(jié)構(gòu)Ⅲ能夠使照明裝置保持在較低溫度下運(yùn)行,，是對(duì)結(jié)構(gòu)Ⅱ的一種改進(jìn),。根據(jù)ediSon公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫在亮度70％時(shí)與壽命的關(guān)系可知，當(dāng)芯片結(jié)點(diǎn)溫度為110℃時(shí),，其壽命約為16000h,；芯片結(jié)點(diǎn)溫度為57℃時(shí)，壽命約為70000h,。結(jié)構(gòu)Ⅲ可以有效的實(shí)現(xiàn)大功率LED照明裝置的散熱,，大大提高照明裝置的使用壽命。

　　1.3.4 結(jié)溫的影響因素

　　為了更好地實(shí)現(xiàn)LED照明裝置的設(shè)計(jì),，使其結(jié)溫較低以獲得更長(zhǎng)的使用壽命,，采用正交方法模擬了LED結(jié)溫的影響因素。風(fēng)扇的可靠性低,、壽命短,，會(huì)對(duì)LED照明裝置的應(yīng)用產(chǎn)生不利的影響，因此研究如何在自然對(duì)流條件下實(shí)現(xiàn)其散熱是非常有用的,。取結(jié)構(gòu)Ⅱ中的單個(gè)模組進(jìn)行有限元anSyS10.0模擬,，采用三因素三水平正交試驗(yàn)表，三因素分別為：介質(zhì)傳導(dǎo)率,、對(duì)流換熱系數(shù)和熱流密度,。介質(zhì)傳導(dǎo)率是指結(jié)構(gòu)Ⅱ中微熱管部分的熱導(dǎo)率；對(duì)流換熱系數(shù)是指翅片與周圍空氣的對(duì)流系數(shù),；熱流密度是指MCPCB板上的熱流密度（即：?jiǎn)晤wLED燈功率/MCPCB板面積）（注：實(shí)際上芯片熱流密度為L(zhǎng)ED燈功率/LED芯片面積,，其到MCPCB板時(shí)熱流密度會(huì)發(fā)生改變且不等于LED燈功率/MCPCB板面積，由于目前沒(méi)有變熱流密度的相關(guān)理論,，所以在此模擬試驗(yàn)中統(tǒng)一取加載在MCPCB板上的熱流密度為L(zhǎng)ED燈功率/MCPCB板面積,，其得到的MCPCB板溫度小于實(shí)驗(yàn)值）。則其因素水平表如表3所示,。得到的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,。對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到極差如表5所示,。

表3：正交試驗(yàn)因素水平表

表4：正交試驗(yàn)結(jié)果

表5：數(shù)據(jù)處理結(jié)果

　　表5中,，珚y為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均值：

　　kij為第j列因素第i水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，第j列因素第i水平的效應(yīng)ωij：

　　其中,，S為第j列上,，水平號(hào)i出現(xiàn)的次數(shù)，極差rj為：

　　由上表可知：對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)結(jié)溫的影響非常小,，可認(rèn)為其與誤差波動(dòng)的影響一樣大,，可忽略不計(jì)；熱流密度的影響最大，介質(zhì)熱導(dǎo)率其次,，但兩者的極差相差不大,。即：在自然對(duì)流的情況下（系數(shù)約為5～10），對(duì)流換熱系數(shù)的影響可忽略不計(jì),；而微熱管的熱導(dǎo)率可使結(jié)溫降低很多（ω2j為－33.328）,；LED燈功率的增大會(huì)導(dǎo)致熱流密度的大大增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致結(jié)溫的大大升高（LED燈從3W到5W,，ωij從2.017到28.136）,。設(shè)計(jì)LED照明裝置時(shí)，若為自然對(duì)流方式,，則不必考慮其放置環(huán)境的換熱系數(shù),，而盡量提高其導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率，尋找新的高熱導(dǎo)率部件,；對(duì)LED燈的功率進(jìn)行控制,，結(jié)合整個(gè)裝置的散熱能力來(lái)確定LED燈的功率。

　　2,、結(jié)論

　　目前,，LED器件正不斷地朝著更大功率方向發(fā)展，功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流也不斷增大,，這使得解決散熱問(wèn)題已經(jīng)成為大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件,。針對(duì)LED器件的散熱環(huán)節(jié)，將其分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱,。一次封裝散熱主要取決于LED燈的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料,，二次熱沉散熱主要取決于外部熱沉的結(jié)構(gòu)及散熱方式。降低封裝熱阻是解決LED散熱最根本的途徑,，但是在新的封裝結(jié)構(gòu)和材料出現(xiàn)前,，優(yōu)化LED器件的二次熱沉散熱是目前的關(guān)鍵。 本文對(duì)三種大功率LED照明裝置的二次熱沉散熱進(jìn)行了散熱原理比較,、實(shí)驗(yàn)性能分析,，建立了熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)溫計(jì)算和壽命預(yù)測(cè),，發(fā)現(xiàn)微熱管,、薄肋片,、風(fēng)扇可以很好的實(shí)現(xiàn)散熱,，并利用正交試驗(yàn)法對(duì)LED照明裝置結(jié)溫的影響因素進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)自然對(duì)流條件下,，對(duì)流換熱系數(shù)的影響可忽略不計(jì),，而需盡量提高導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率并結(jié)合其散熱能力進(jìn)行功率的控制。為微熱管散熱技術(shù)提供了技術(shù)參考，為大功率LED器件的二次熱沉散熱提供了有效的實(shí)現(xiàn)途徑,，但實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),。