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大功率LED灯散热器介绍

来源: 发布日期:2011-11-01
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所谓led(Light-emittingDiode的缩写)灯是指采用半导体发光二极管技术做为发光源的一种新型环保照明产品。LED灯具有省电节能,易控制、免、安全环保、使用寿命长等特点,其使用寿命可达50,000-100,000小时,远超过传统钨丝灯泡的1,000小时及萤光灯管的10,000…
大功率LED灯散热器介绍

  所谓led(Light-emittingDiode的缩写)灯是指采用半导体发光二极管技术做为发光源的一种新型环保照明产品。LED灯具有省电节能,易控制、免、安全环保、使用寿命长等特点,其使用寿命可达50,000-100,000小时,远超过传统钨丝灯泡的1,000小时及萤光灯管的10,000小时。LED作为一种新型的节能、环保绿色光源产品,必然是未来发展的趋势。

  不过目前LED灯具产品尚有不足,除价格较高外,发光效率偏低,工作时会产生较多的热量,需要散热器将热量导出并散发到中,否则将会影响LED的寿命甚至无法工作。

  一.普通照明大功率LED灯具(1W以上)介绍

  1.常见类型——球泡灯、射灯、蜡烛灯、管灯、吸顶灯、灯、车灯等,并根据接口的规格不同有很多型号(部分灯具样品如下图):

  2.构成——通常包括灯罩、LED灯板、散热器、驱动电源、接口、绝缘胶或套(一般用于金属散热器)等(如下图示):

  二.LED散热器的作用及工作原理介绍

  散热器的主要作用是将LED芯片工作中产生的热量不断导出并散发到中,使芯片的温度保持在所要求的范围内,从而LED灯能够正常工作。散热器的好坏主要取决于散热器的热阻,热阻越小,相同条件下LED灯结温越低,LED结温越低,芯片使用寿命就会越长。散热器的热阻应该包括导热热阻和散热热阻两部分。对于一定形状的散热器,导热热阻主要与散热器材料的导热系数有关,导热系数越大,导热热阻越小,导热效果越好;在一定条件下,散热热阻主要取决于散热器的散热面积以及散热器表面材料的辐射系数,散热面积越大、辐射系数越高,散热热阻越小,散热效果越好。因此,LED灯具散热器必须具有一定的散热面积,同时制作散热器的材料必须具有一定的的导热性和较高的热辐射系数;另外,导热材料本身还应具有重量轻、易加工、价格低等特点。

  三.常见LED散热器不同材质介绍

  所谓LED散热器就是能够将LED芯片工作中产生的热量快速地导出并散发到中的一个元件,因此作为散热器仅具有一定的散热面积是不行的,制作散热器的材料必须具有一定的导热性,也就是要具有较高的热导率,才能将芯片产生的热量不断导出,并最终散到中;当然对于导热材料,除了导热性外,还应当具有比重小、价格低、强度高、容易加工等特点。

  常用材料通常包括金属材料,无机非金属材料和高材料三大类,其中高材料又包括塑料、橡胶、化学纤维等。导热材料一般为金属和部分无机非金属材料。在常见金属中,铝和铜的导热系数比较高,但铜的价格高,比重大,加工性不如铝,而铝质散热器完全能满足LED散热的要求,因此在LED金属散热器中以铝质散热器为主,铜质散热器并不多见,另外也有少量散热器是铁质的。导热性好的无机非金属材料加工前一般多为粉末状,需要经过特种工艺加工成型,加工成散热器后基本为陶瓷状;有些无机非金属材料导热系数很高又非常绝缘,但价格很高,如金刚石、氮化硼、氮化铝等;有些虽然导热系数高但不绝缘,类似金属,如石墨、碳纤维等;并且将无机非金属粉末加工成形状复杂的陶瓷散热器常困难的,因此,虽然陶瓷LED散热器是有应用的,但存在很大的局限性,需要进一步完善和提高。高材料本身导热性是比较差的,但如果将导热性好的金属粉末或非金属粉末添加到塑料或橡胶中,制成导热塑料或橡胶等,其导热性会大幅提高。导热橡胶因其特有的弹性,是其它导热材料无法替代的,因此在某些领域已经广泛应用,但因其刚性较差,作为散热器材料可能不太合适,目前尚未见相关报道;导热塑料单独或配以金属嵌件做成的LED散热器是最近开发成功的新一代LED散热产品,如果设计得当,可以达到压铸铝散热器的散热效果,并且外表面绝缘,使用更加安全,是今后LED散热器发展的方向。下面就几种常见不同材质的LED散热器简单作一介绍。

  1.铝质散热器——目前较常见的LED散热器主要是铝质散热器,一般包括压铸铝和拉伸铝散热器两种。主要原因是金属铝的导热系数较高,比重小,易加工,价格便宜等。其中压铸铝散热器是目前最常用的,其导热系数70-90W/m.K,外形较美观,形状可多变,价格适中;缺点是本身不绝缘,为了安全需要增加绝缘胶或套,而绝缘胶或套一般导热较差,对散热是不利的,同时成本也会增加。另外,压铸铝散热器模具成本高,不利于新品的开发;生产过程需要消耗较多的能源,并且二次加工成本偏大。拉伸铝散热器导热系数200W/m.K左右,导热很好,一次加工成本较低,但往往需要二次加工,二次加工成本较高,而且形式较单一,同样需要增加绝缘处理,目前主要用于灯及较大功率的室内LED照明。

  2.导热塑料散热器——由国外几家大公司开发出的导热塑料LED灯具散热器,不仅解决了铝质散热器本身不绝缘的问题,而且散热器的重量也有所减轻。目前生产LED散热器导热塑料的公司主要有荷兰的帝斯曼,美国的SABIC,日本的东丽公司等。导热塑料主要是由尼龙、PBT等耐热性好的塑料加入高导热的无机填料,如氮化铝、氮化硼等组成;其本身导热系数并不是很高,一般只有1-6W/m.K左右,用导热塑料单独制成的LED散热器散热性也不是很好,只能用于较小功率的LED产品,因此实际上导热塑料散热器一般是由导热塑料和内嵌铝件两部分组成。铝件采用冲压铝材,导热系数200W/m.K以上,这种铝塑复合散热器的散热性甚至可以与压铸铝散热器的散热效果接近或相当,加工也相对容易。但是,现有导热塑料的售价是相当高的,约合200-300元人民币/Kg,制成散热器的价格也比压铸铝散热器高,虽然在一些生产LED灯具的大公司如飞利浦公司等有一定应用,但近期是无法大量替代铝质散热器的。

  3.Thertrans导热塑料散热器——最近由上海合复新材料科技有限公司开发完成的导热塑料散热器Thertrans是由该公司开发的导热塑料Therpoxy(已申请专利)和内嵌铝件(铝件材质同热塑性LED散热器)构成。Therpoxy导热塑料是由树脂加入部分导热填料及其它相关材料混合而成的一种导热塑料,其导热系数3.6W/m.K,价格每公斤100元人民币左右。该材料具有导热、绝缘、阻燃、耐热、环保、耐老化、易成型、重量轻、价格较低等特点。其中阻燃可达到UL94V01.3mm,环保已完成ROHS认证,表面耐击穿电压4000V以上。Thertrans导热塑料散热器外形美观,试样多变,可用注塑机加工成型,其重量比相同形状压铸铝散热器低三分之一左右,而且不必另外增加绝缘处理,甚至可以将螺纹口等与散热器一起成型,有效减少了LED灯具生产厂家的组装工序及成本。从测试结果看,Thertrans导热塑料散热器的散热效果可以和相同形状压铸铝散热器接近、相当甚至略好,说明Thertrans散热器的综合导热系数与压铸铝相差不大,或者说相同形状的Thertrans导热塑料散热器和压铸铝散热器的热阻基本一致。

  Thertrans导热塑料散热器的导热机理是LED产生的热量首先通过铝基板迅速传导给内嵌铝件,再由铝件通过导热塑料传导到散热器外表面,最后散热器外表面的热量通过对流和热辐射等方式散发到中。另外一般塑料的热辐射系数都高于金属铝,因此导热塑料散热器表面到辐射散热的效果应该好于相同外形的铝质散热器,即导热塑料散热器的辐射散

  这种Therpoxy导热塑料还可以通过加工设备快速封装LED驱动电源,或将散热器与驱动电源一体成型,这样一方面可以有效地改善电源本身的散热问题,另一方面封装好的驱动电源可方便拆卸、更换。导热塑料Therpoxy也可用于其它需要散热的场合。

  四.LED散热器热阻分析

  通常所说的热阻一般是指反映热量传递能力的一个综合参数。热阻的大小是反应LED散热器散热性好坏的关键,热阻越小,散热器导热、散热效果越好。

  散热器的热阻是指散热器到的总热阻,它由散热器内部热量传导过程中的导热热阻和散热器外表面向周围通过对流和辐射方式散热过程的散热热阻两部分组成。下面就LED散热器各部分热阻及其影响因素分别加以讨论:

  1.散热器本身导热热阻

  散热器导热热阻可用以下公式计算:

  R导=(T1-T2)/W(热阻单位为℃/W)⑴

  式中

  R导——散热器本身导热热阻

  T1——与铝基板接触点处散热器的温度

  T2——散热器外表面平均温度

  W——LED灯功率

  另外,根据能量守恒定律,热平衡后LED灯产生的热量与散热器自身导出的热量是相等的,用公式表示为:Q产=Q导+Q罩(热量从灯罩散出的很少,为便于分析,在此忽略不计),其中

  Q产=a.W⑵

  Q导=b.s.(T1-T2)/L⑶

  式中

  Q产——LED工作时产生的热量

  Q导——散热器本身导出的热量

  T1——与铝基板接触点处散热器的温度

  T2——散热器外表面平均温度

  a——LED产热系数

  W——为LED灯实际功率

  b——散热器材料综合导热系数

  s——散热器平均传热面积

  L——散热器热传导平均距离

  对于特定散热器b、s、L是一定的,因此公式⑶可简化为Q导=m.(T1-T2),其中m=b.s/L,经推导可知m.(T1-T2)=a.W,因此(T1-T2)=a.W/m,带入公式⑴可知R导=a/m,由此公式可以看出对于特定散热器,在LED灯源一定的情况下,散热器的热阻是一个定值。另外,在热阻计算公式中W代表的是LED的总功率,而LED在工作中一部分功率用于发光,一部分功率转变为热能,因此既然是计算热阻,公式中的W换成产热功率(a.W)更为科学,这样R导=1/m=L/(b.s),就是说散热器本身热阻与电阻一样,是一个仅跟散热器本身参数有关的,它与散热器平均传热距离成正比,与散热器平均传热面积、散热器材料导热系数成反比。

  2.散热器表面到的散热热阻

  散热器表面到空气的散热热阻可用下式计算:

  R散=(T2-T3)/a.W⑷

  式中

  R散——散热器表面到的散热热阻

  T2——散热器外表面平均温度

  T3——温度

  W——LED灯功率

  a——LED产热系数

  散热器外表面向散热的方式主要以对流为主,其次为热辐射,热传导很小可以忽略不计。散热器的对流及辐射散热公式如下:

  Q流=c.(T2-T3).S散⑸

  Q辐=d.(T42-T43).S散(此式中T为绝对温度)⑹

  式中

  Q流——散热器表面到的对流散热

  Q辐——散热器表面到的辐射散热

  c——散热器周围的自然对流系数

  d——散热器表面材料的辐射系数

  S散——散热器外表面积

  T2——散热器表面平均温度

  T3——温度

  根据能量守恒定律,LED灯热平衡后Q产=Q导+Q罩=Q散+Q罩=Q流+Q辐+Q罩(热量从灯罩散出的很少,为便于分析,在此忽略不计),即a.W=c.(T2-T3).S散+d.(T42-T43).S散。

  在一定条件下,对于特定散热器而言,对流系数、辐射系数是恒定的,散热面积也是一定的;对于恒定电源,产热功率是一定的,那么由以上公式可知(T2-T3)是一定的,因此散热器到表面的散热热阻是一定的。但如果灯源的产热功率(a.W)增大(或减小),散热器外表面温度也会升高(或降低),分析一下辐射散热公式可以知道,散热器外表面温度T2升高(或降低)的比例小于产热功率增加(或减小)的比例;因此散热器外表面到空气的热阻与产热功率有关,产热功率增加,散热器表面到的热阻应该略减小,相反,产热功率降低,散热器表面到的热阻会略升高。

  对于不同散热器,在产热一定的情况下,由公式⑸、⑹可知散热面积、对流系数、辐射系数越大,(T2-T3)就越小,那么散热器热阻也越小。也就是说,散热器的散热热阻不仅与其本身的散热面积以及散热器表面材料的辐射系数有关,还与LED灯所处的通风情况也就是周围空气的自然对流系数有关,是一个可变量。

  3.散热器(到)的总热阻

  散热器的总热阻等于散热器本身导热热阻加上散热器表面到的散热热阻,散热器到的热阻可通过以下公式计算:

  R3=R1+R2=(T1-T3)/a.W⑺

  通过前面的分析可以知道,影响散热器总热阻的因素可以概括如下:

  ⑴.散热器本身参数的影响:散热器平均传热距离越短,散热器热阻越小;散热器平均传热面积越大,散热器热阻越小;散热器材料导热系数越大,散热器热阻越小;散热器散热面积越大,散热器热阻越小;散热器表面材料的辐射系数越大,散热器热阻越小

  ⑵.对流系数的影响:散热器周围通风越好,自然对流系数越大,散热器热阻越小

  ⑶.产热功率的影响:同一散热器,同样下,实际产热功率越大,散热器的热阻反而略有减小。

  所以散热器的总热阻不仅与散热器的散热面积、几何尺寸、表面材料的辐射系数等自身因素有关,还受LED的产热功率以及周围的对流系数等外部因素的影响,并不是一个恒定的数值。但一般来说,在自然对流情况下对流系数变化并不大,正常情况下LED产热功率的变化也不会太大,对热阻的影响应该很小。为便于分析和计算,我们在应用时可近似认为散热器的总热阻是一定的。

  五.散热器散热性测试方法介绍

  在此选择形状相近的压铸铝和Thertrans导热塑料两款散热器进行测试,并对测试结果进行分析、对比。

  1.实验设备

  四通道温度测试仪——精度0.1℃

  感温线

  数显温度计

  大功率led灯电脑

  2.测试样品

  ⑴A19压铸铝散热器——市购(表面喷白漆)

  ⑵TR-E101WThertrans导热塑散热器(内置铝套)——上海合复复合材料科技公司(表面喷白漆)

  以上两款散热器尺寸基本相同,散热面积相当,如下图示

  3.测试灯源——六颗灯珠()LED(发光效率20%左右)

  4.测试电源——5W直流驱动电源(测试时置于散热器外部)

  5.温度计量点

  LED灯角温度——感温线与灯角锡焊(近似等同于结温)

  铝基板下端面温度——感温线与铝基板螺丝连接(近似与铝基板接触点散热器温度)

  散热器外表面叶片温度——感温线与叶片铁夹固定(固定)

  温度——感温线自然放置

  6.测量方法

  首先,将测温仪、LED灯板、电源、散热器、电脑、感温线等按要求连接好,接通电源并开始测温,每组实验,待温度曲线相对稳定一定时间后,保存测试曲线和数据,并做好记录。每组实验至少测量三组数据,最后取平均值。

  7.测试结果

  A.压铸铝散热器测试结果及曲线(纵轴为温度,横轴为时间):

  B.Thertrans导热塑料测试结果及曲线(纵轴为温度,横轴为时间):

  8.结果分析

  从以上测试结果可以看出,A19压铸铝散热器灯角温度63.1℃,温度27.1℃;TR-E101WThertrans导热塑散热器灯角温度62.4℃,温度27.9℃。下面我们再用公式⑺计算一下两款散热器的热阻,压铸铝散热器的热阻R1=(63.1—27.1)/(5×0.8)=9℃/W,Thertrans导热塑料散热器的热R2=(62.4—27.9)/(5×0.8)=8.6℃/W(由于散热器表面平均温度很难测定,在此无法准确计算散热器的导热热阻和散热热阻)。通过以上分析可以说明,相同形状的导热塑Thertrans料散热器与压铸铝散热器散热效果可以做到相当或略好。另外,从散热器图片可以看出压铸铝散热器因为本身不绝缘,需要另外增加绝缘塑料套,而导热塑料散热器因为本身绝缘可以不用另外绝缘处理,因此更便于使用,也更安全。

  六.LED散热器的选型及设计要点介绍

  要想设计或选择一款合适的散热器产品,不但要散热器的外型美观、易加工、价格低,更重要的是要满足LED芯片的散热要求,使LED工作温度保持在的范围内。

  首先我们了解一下影响LED灯结温的因素。根据我们的经验,对影响LED结温的因素进行了如下归纳,供大家参考:

  1.LED灯板——

  LED灯功率:功率越大结温越高

  芯片发光效率:同样功率,芯片发光效率越高,产热越少,结温越低

  灯珠数量及分布:同样功率,铝基板越大,灯珠越多,分布越均匀,结温越低

  2.LED铝基板与散热器的连接(铝基板与散热器之间的热阻)——

  铝板:铝基板与散热器直接相连比铝基板加铝板(如铝基板太小,无法与散热器直接相连,需外加铝板)再与散热器相连的LED结温低;铝板、铝基板表面平整度越好一般结温越低

  连接方式:在机械连接情况下涂少量导热硅脂,LED结温一般要低

  3.散热器——散热器热阻越小LED结温越低

  4.温度——温度越低LED结温也越低

  从以上影响因素可以看出要想降低LED灯的结温,首先要选择合适的灯板,在功率一定的情况下,LED芯片发光效率越高,工作时产生的热量越少,因此尽量选用发光效率高的芯片制作的灯板。在灯板和驱率确定的情况下,除优化连接方式外,影响LED结温最主要的因素就是所选散热器的热阻大小,散热器的热阻越小,LED的结温越低,灯具的使用寿命越长。关于散热器热阻的影响因素前文已经进行了详细的介绍,用户可以根据自己的实际要求并与散热器厂家进行沟通,应用散热器热阻的知识经过合理的分析及自身的经验,最好建立一套合理的数理模型,选择或设计出一款比较合适的LED散热器产品。

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