基于ANSYS的LED灯具热分析.doc
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1、基于 ANSYS 得 LED 灯具热分析南京汉德森科技股份有限公司饶连江摘要:大功率高亮度发光二极管(LED)以其节能、环保、寿命长等出色性能逐渐渗透到 现代照明中,业界专家预测在 21 世纪上半叶,以 LED 为代表得新型光源将会逐步发展成为 电光源得主流产品。然而,LED 照明仍面临着几大难题:发光效率、显色指数、结构散热等。 高温对 LED 发光质量与使用寿命影响巨大,从设计上说,防止过热就是最具挑战性得任务之一。 因此,使用计算机辅助分析结合实验得方法来模拟 LED 组件得工作性能变得越来越重要。 关键词:ANSYS、LED、CAE、热分析Thermal Analysis for LE
2、D Lump Based on ANSYSAbstract: Highpower highbrightness lightemitting diode (LED) for its energysaving, environmental protection, long life and other outstanding performance penetrate gradually into modern lighting、 LED experts predict that half of the 21st century LED lighting will be gradually dev
3、eloped as the main products of the power light、 However, LED lighting is still facing several big challenges: lightemitting efficiency, color rendering index, structure of thermal and so on、 High temperature on the LED lightemitting enormous impact on the quality and service life, from the design th
4、at prevent the overheating is the most challenging tasks、 Therefore, the use of puteraided analysis bined with experimental methods to simulate the working performance of LED lump bees increasingly important、Key Words: ANSYS、LED、CAE、heatanalysis一、引言:大功率高亮度发光二极管(LED)就是 21 世纪最具发展前景得一种新型冷光源。它得发 光机理就是靠
5、PN 结中得电子在能带间跃迁产生光能,当它在外加电场作用下,电子与空穴得 辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能,而无辐射复合产生得晶格震荡将其余得能 量转化为热能。由于光谱中不含红外成分,产生得热量不能靠辐射散发,故称 LED 为冷光 源。目前 LED 得发光效率只有 10%25%,其余得能量转化为热能,如果 LED 芯片中得热 量不能及时散发出去,会加速器件得老化,一旦 LED 得温度超过最高临界温度,往往会造 成 LED 永久性失效。据报道,LED 在 30下工作得寿命比在 70下工作时长 20 倍1,因 此散热技术就是 LED 灯具设计得关键技术之一。热交换就是通过导热、对流换热与
6、辐射换热三种基本方式进行得,可分为瞬态热交换与 稳态热交换。一般来说,工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质,设某一时刻t ,物 体内所有各点在直角坐标系中得温度场为 t=f( x, y, z,t ),导热得微分方程可表达如下:rc t= (l t ) + (l t ) + (l t ) + F (1)txxyyzz式中 r 为密度,单位 kg/m; c 为比热容,单位 J/(kg、K);l 为热导率(导热系数),单位为W/(m、K); F 为内热源强度,单位 W/m。 对于连续介质,二维对流换热得能量微分方程如下:trcpt+ u tx+ v ty+ t( ux+ vy) = l(2tx2
7、2t+y2) (2)式中 cp 为比定压热容,对于固体与不可压缩流体,cp = c ;u, v 分别为 x, y 方向得速度2。 上述热交换得矩阵形式如下:C(T )T +K (T )T = Q(T ) (3)式中C(T ) 为比热矩阵;K (T ) 为传导矩阵,包含导热系数与对流系数;T为节点温度向量;T 为温度对时间得导数;Q(T ) 为节点热流向量。二、分析项目描述:1、 灯体描述:图 1LED 灯具模型图 2简化模型 分析模型就是一款某大型公司得 LED 灯具,外形规格4838,安装 3 颗 1W 得标准 LED,安装直径12(均布)。2、 灯体模型简化:为了节省计算机资源得开支,由灯
8、具得对称性,取 1/3 模型进行简化分析(图 2),单颗LED 得封装结构及元器件组成见图 3 与图 4:图 3LED 封装结构图图 4单颗 LED 组成图 简化后得模型包括:灯体、铝基板、热沉与 LED 发光芯片。LED 封装得塑料部分(热阻很大)、透镜、衬底及细导线等可省略。根据文献,1W 单颗 LED 热辐射带走得热量约为总热量得 1、63%,只考虑热传导与对流, 改变不同封装填充材料,对热导温度得降低影响不大(即使找到一种热导率高达 7 W/m、K 得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 得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、
9、271,实际上,热导率超过 7 W/m、K 以上可商 业化得透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导)3,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,可以忽略银胶与硅胶得影响。LED 热沉材料常采用镀银铜,考虑到铜材纯度及银 胶对热导得影响,实际导热系数比铜略低。LED 芯片得热承受力不大于 110,考虑安全裕度(一般取为 1015),芯片 PN 结温 度不得大于 95,实际应用中,为了延长 LED 得使用寿命,结温一般控制在 70以下,该 值也常作为热设计得参考阀值,之后,温度每升高 10,寿命约降低一半。建
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