LED灯具散热建模仿真关键问题研究（一）

本文综合研究了边界条件设置、热阻计算、热量载荷分析和散热器等仿真建模的关键问题，并与实验室温度测量相结合来验证仿真方法的准确性。结果表明，该方法对室内照明LED 灯具能进行较为准确的散热分析，仿真温度误差在4℃左右，仿真结果对LED 灯具开发设计具有重要参考价值。

0 引言

LED 属于半导体发光器件，受目前LED 芯片的生产制造水平限制，LED 高功率产品输入功率仅有约20%~30%转换为光能，剩下的70%左右均转换为热能。结温升高会影响LED 的寿命、光效、光色(峰值波长)、色温、配光、可靠性、发光强度、正向电压等，而这些均是影响照明质量的重要因素。

为了控制LED 灯具的温升，保证灯具的寿命和可靠性，国内外学者针对照明用LED 灯具散热设计的相关研究已有不少，尤其是利用有限元流体力学CFD 仿真软件进行散热模拟仿真分析，可以全面分析LED 灯具的热传导、热对流及热辐射，分析求解LED 灯具内外的温度场和流场等，非常适用于目前LED 照明灯具散热模拟仿真。

本文将从边界条件(环境温度、重力方向等)、热阻计算、热载荷分布和形式、散热材料导热系数和辐射率等几个方面，分析LED 照明灯具散热仿真建模中的关键问题，并通过实验室温度测量验证模型仿真结果的精度。

1 边界条件

1.1 环境温度

仿真分析了5W HLA60LED 球泡灯在环境温度分别为20、25、30、35、40、45和50℃时的温度场分布情况，图1~3 给出的是LED 工作温度(图中，max表示LED 最高工作温度，avg表示LED 平均工作温度，下同)、散热器平均温度、电源温度随着环境温度的变化而呈现出的温度变化趋势图，从仿真结果图中可以看出，LED 最大温度和平均温度、散热器平均温度与环境温度呈线性变化关系，即环境温度越高，LED 最大温度、散热器平均温度也越高。但它们之间关系不是纯粹的线性叠加，比例系数约为0.8.

1.2 重力方向

热量具有与重力反方向的传递趋势，图4所示为5W HLA60LED 球泡灯采用三种不同安装方式的温度仿真分析效果。从图中可以发现灯具温度场因重力方向不同而发生了明显的变化。因此在仿真过程中，要明确LED 灯具的安装位置和方式。

2 热阻

热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力，可通过材料导热系数(K)来计算：

式中，犔表示热通道路径的长度，犃表示热通道有效横截面积。

热阻分为导热热阻和接触热阻。当热量在同一物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。当热量流过两个相接触固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何表面接触良好的两物体，实际接触面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙，热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。

对于部分热通道材料层因其厚度很小，在建模过程中可不体现出来，而采用等效面接触热阻替代，便于散热建模CFD 仿真分析。例如：

(1)采用回流焊工艺将LED 光源焊接到铝基板上，LED 光源灯珠与铝基板间设置接触热阻。回流焊层的主要材料成分为锡(96%)，厚度一般为0.1~0.15mm,导热系数为60W/(K·m)。

(2)如图5,铝基板由导电层、导热绝缘层和金属基层构成，导电层厚度微小、导热率好，因此可忽略不计;主要热阻由导热绝缘层决定，导热绝缘层厚度小、导热率差，而金属基层厚度大、导热好，若二者按同一材料体设置，仿真结果将会出现较大偏差。LED灯具散热建模仿真关键问题研究（一）" src="/uploa