大功率LED散热器导热、散热机理分析

本文主要运用热传导、对流、辐射以及能量守恒定律等相关理论知识，对LED散热器的导热、散热机理进行了简单的分析，并就环境温度、散热器导热系数、表面材料的辐射系数等因素对LED灯结温的影响进行了讨论。最后通过实验对部分分析结果进行了验证。

　　LED灯由于节能、环保、工作寿命长等特点而倍受社会各界的关注，然而大功率LED灯在工作过程中，除发光外同时产生大量热能，而LED结温(芯片温度)的高低直接影响灯具的寿命。因此，大功率LED灯需要散热器将热量二次导出，并散发到环境中。通电开始LED灯及散热器的温度会不断升高，工作一定时间后，LED灯产生的热量与散热器等散出的热量达到一定的平衡，最终LED灯的结温达到一个稳定状态。LED灯结温的高低除与其本身的参数、实际功率有关外，还与散热器的性能有关，下面就LED结温与散热器性能的关系及LED散热器导热、散热的机理进行分析、讨论。

　　一、LED散热器导热、散热机理分析

　　我们采用同样的灯源、环境和连接方式，对不同的散热器进行分析，在实际LED结温测试时，为了测温点的稳定性，我们给LED灯及散热器外置了一个玻璃箱(参见图1)。

　　Q产=W*a*t

　　式中：

　　Q产：LED灯工作时产生的热量

　　W：LED实际功率

　　a：系数(与发光效率有关)

　　t：时间

　　产热

　　在一定条件下，LED灯工作时，同样的灯源和电源产生的热量可以简单地认为与其功率、时间等成正比，基本上是一个恒定值，与散热器无关，可用下式表示：

　　散热

　　图1所示LED散热过程如下：

　　首先，LED灯产生的热量少部分传递给灯罩，大部分通过铝基板传给散热器，再由散热器上端面传导至散热器外表面，然后由散热器外表面、灯罩(因实验条件相同，这里假定灯罩传递的热量数值变化不大，是一个定值)等渠道通过热辐射、对流等方式将热量传给玻璃箱内的空气，最后热量再通过玻璃箱直接传到环境空气中。

　　其中LED灯到散热器外表面的传热方式以传导为主，另外有少量热(散热器内腔)通过对流和辐射等方式传递，为便于分析在此忽略不计。LED传导到散热器外表面的热量应与LED灯和散热器外表面平均温度的温差(散热器外表面的温度因形状复杂，为便于分析取平均值)成正比，与散热器的传热面积成正比，又与散热器的形状、材质(或热阻)等有关。

　　散热器外表面到玻璃箱内空气的传热，部分以辐射形式散出，根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，其数值主要与散热器表面平均温度与玻璃箱内空气温度四次方的差、散热器外表面积成正比，并与散热器外表面材料的热辐射系数有关。部分以热传导和自然对流形式散出，因为空气热传导系数很小，为便于分析，此处将散热器对玻璃箱内空气的热传导暂忽略不计，自然对流散热与散热器外表面积、散热器外表面与玻璃箱内空气温度的温差及散热器表面空气对流系数(在散热器表面形状相似，玻璃箱内空气基本一致的情况下，对流系数可近似认为是定值)等成正比。综合考虑，散热器外表面到玻璃箱内空气总的散热可简单认为主要与散热器表面平均温度与玻璃箱内空气温度若干次方的差、散热器外表面积成正比，并与散热器外表面材料的辐射系数等有关。

　　玻璃箱热量传到环境空气的方式应当与散热器外表面散热方式相同，同时存在热辐射、热传导和对流散热，与散热器本身无关。其中辐射散热应与玻璃箱温度四次方和环境温度四次方的差成正比，与玻璃箱材质(辐射系数等)、外表面积等有关;热传导也忽略不计;自然对流散热与玻璃箱、环境温度的温差成正比，与玻璃箱表面空气的对流系数、外表面积等有关。因此，玻璃箱传到环境的总热量可以简单认为与玻璃箱温度若干次方和环境温度若干次方的差成正比，与玻璃箱材质、外表面积、环境空气等有关，与散热器本身无关。

　　根据以上分析，上图所示LED灯产热、散热平衡后，各阶段的传热公式可简单表示如下：

　　Q散1-2=K*S传*(T1-T2)/△L=(T1-T2)*b*S传 (K为导热系数，△L为传热距离)

　　Q辐2-3=(T24-T34)*A*S散 (T为绝对温度)

　　Q流2-3=(T 2-T 3)*B*S散

　　Q散2-3= Q辐2-3 + Q流2-3 + Q传2-3 ≌(T2m-T3m)*c*S散 (T为绝对温度)

　　Q辐4-5=(T44-T54)*E (T为绝对温度)

　　Q流4-5=(T4-T5)*F

　　Q散4-5= Q辐4-5 + Q流4-5 + Q传4-5≌(T4n-T5n)*d (T为绝对温度)

　　式中：

　　Q散1-2：LED灯到散热器外表面散出的热量

　　Q散2-3：散热器外表面到玻璃罩空气散出的热量

　　Q辐2-3：散热器外表面到玻璃罩空气热辐射散出的热量

　　Q传2-3：散热器外表面到玻璃罩空气热传导散出的热量(忽略不计)

　　Q流2-3：散热器外表面到玻璃罩空气自然对流散出的热量

　　Q散4-5：玻璃罩到环境空气散出的热量

　　Q辐4-5：玻璃罩到环境空气热辐射散出的热量

　　Q传4-5：玻璃罩到环境空气热传导散出的热量(忽略不计)

　　Q流4-5：玻璃罩到环境空气自然对流散出的热量

　　T1：LED灯结温

　　T2：散热器外表面平均温度

　　T3：玻璃罩内空气平均温度

　　T4：玻璃罩温度(T4与T3应该是正比关系，即T3越高T4也越高)

　　T5：环境温度

　　A：系数(与散热器表面材料辐射系数等有关)

　　B：系数(与散热器表面空气对流系数有关，为便于分析此处可认为是一恒定值)

　　E：系数(与玻璃箱辐射系数、外表面积等有关，此处可认为是一恒定值)

　　F：系数(与玻璃箱外表面积及空气对流系数等有关，此处可认为是一恒定值)

　　b：系数(与散热器导热系数即：材质、形状、厚度、LED铝基板与散热器的封装等有关)

　　c：系数(与散热器表面材料辐射系数等有关)

　　d：系数(与玻璃箱外表面积、空气对流系数等有关，与散热器无关，此处可认为是一恒定值)

　　m=1

　　n=1

　　s散=散热器有效散热面积

　　S传=散热器有效平均传热面积

　　LED产热、散热过程分析

　　LED灯在发光的同时不断产生热量，并通过散热器最终传到环境中，经过一定时间后产热、散热达到平衡，而LED灯的温度也由最初时的不断升高到相对稳定。在此，我们选用同样的灯源、电源，并假设环境温度是一定的，根据能量守恒定律，在LED灯达到热平衡后下式应该成立：

　　Q产= Q散总=Q散1-2+Q罩(灯罩部位散出的很少热量，假设为定值，下同)= Q散2-3+Q罩= Q散4-5

　　同一散热件

　　LED铝基板与散热器封装不同(即系数b不同，封装差，b小)，其它条件相同：因相同散热器，同样的灯源、电源、环境温度和玻璃箱，所以热平衡以后，Q产、Q散1-2、Q散2-3、Q散4-5 、c、d、T5、S传、S散是一定的。根据前述及由公式Q散4-5=(T4n-T5n)*d可知：不同封装的散热器T4是相同的，当然T3也是相同的;由公式Q散2-3=(T2m-T3m)*c*S散可知T2是相同的;对封装差的散热器，系统热阻增大，因此系数b偏小，而Q散1-2是相同的，代入公式Q散1-2=(T1-T2)*b*S传，可知封装差的散热器(T1-T2)较大，故T1较高。即同一散热器，同样的灯源、电源、环境温度，热平衡后，封装差的散热器LED结温较高，而散热器外表面温度基本不变。

　　LED灯实际功率不同(功率越大，Q产越大)，其它条件相同：因散热器、封装、环境温度和玻璃箱相同，则b、c、d、T5、S传、S散是一定的。功率越大，Q产越大，因此Q散1-2、Q散2-3、Q散4-5也越大。由Q散4-5=(T4n-T5n)*d可知：功率越大T4越大，那么T3也越大;再由Q散2-3=(T2m-T3m)*C*S散可知功率越大T2越大;同理由Q散1-2=(T1-T2)*b*S传可知功率越大，T1也越大。即同一散热器，封装和环境温度相同，功率增大，热平衡后，散热器外表面温度、LED结温均升高。

　　环境温度不同(T5不同)，其它条件相同：