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大功率LED路灯散热分析与设计

熊慰  
【摘要】:LED(发光二极管)是一种直接将电能转换为光能的固态光源,近年来逐渐在通用照明领域占据一席之地,其典型产品之一便是大功率LED路灯,但其工作时约80%的输入电功率转换为热,若该部分热量不能及时散发,LED结温将不断升高,现有不少关于LED路灯因结温过高而引起死灯的报道,因此对LED路灯进行散热研究是十分有意义的。 本文首先介绍LED路灯的各组成模块,后续工作主要集中在对典型大功率LED路灯的散热分析和设计研究上。 文中建立了一种估算LED路灯热沉温度分布的多芯片热阻网络模型,主要介绍了多芯片扩散热阻的计算方法,同时将用该模型计算得出的典型LED路灯热沉的温度分布与实验测量的温度值进行对比,结果显示两种方法得到的结果一致性较高,误差较小,证明该热阻网络模型在工程设计上能快速估算大功率LED路灯的温度分布。分析该热阻模型发现,扩散热阻和对流换热热阻对整灯热阻的影响较大。 为减小扩散热阻,文中提出了一种工作在小尺寸热源和大尺寸热沉的Vapor Chamber热扩散器基板结构。该结构中,液体介质吸收热源的热量相变为气体,气体介质在热沉端放热凝结成液态,液体介质在多孔介质的毛细作用下均匀的回流至热源端。加工制作模型验证该结构的可行性,结果初步表明该结构能快速均匀地将热量从热源传递至热沉,与设计想法相符。 为减小对流换热热阻,文中提出了基于最小热阻理论的优化热沉翅片尺寸的设计方法,基于该种设计方法制作了一款112WLED路灯的热沉,并进行温度测试。当环境温度为25℃时,实验测量得热沉与环境间的平均温差为19℃,设计预期该平均温差为18℃,结果表明基于最小热阻理论的路灯热沉翅片尺寸的设计方法是可行的且该款LED路灯散热效果良好。 论文最后介绍了芯片、光学、热学、电学四合一的LED模块化封装结构。


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