大功率LED散熱模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、發(fā)光二極管（LED）是二十一世紀(jì)的新型綠色照明光源，具有環(huán)保節(jié)能、體積小、壽命長等優(yōu)勢，但是其電光轉(zhuǎn)換效率不高，80~90％的功率轉(zhuǎn)化為熱量散失掉，造成LED的結(jié)溫升高，進(jìn)而又影響其發(fā)光效率，因此研究高效散熱的LED具有重要的意義。本文以大功率LED為研究對象，采用ANSYS Workbench軟件對其進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　（1）建立了大功率 LED純固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)傳熱模型，得出模擬的結(jié)溫是65.0

2、73℃，總熱阻是47.145℃/W；根據(jù)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型理論計(jì)算出LED的總熱阻是49.9℃/W，結(jié)溫是67.415℃；穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)溫比理論計(jì)算的結(jié)溫低2.342℃，約為3.47%，穩(wěn)態(tài)模擬的熱阻比理論計(jì)算的熱阻低2.755℃/W，約為5.52%。
　?。?）建立了大功率LED基于空氣強(qiáng)迫冷卻、結(jié)構(gòu)傳熱以及結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的多場耦合模型；得出耦合模擬的結(jié)溫是65.114℃，總熱阻是47.19℃/W；耦合模擬的結(jié)溫比理論計(jì)算的結(jié)溫低2.301

3、℃，約為3.41%，耦合模擬的總熱阻比理論計(jì)算的總熱阻低2.71℃/W，約為5.43%；耦合模擬得出GaN芯片上溫度最高，溫度最低的位置是透鏡的頂部；發(fā)生的最大總變形量是5.2529×10-3mm，熱應(yīng)變是8.8363×10-4mm/mm，GaN芯片上的最大等效馮米塞斯應(yīng)力是266.67MPa，鋁合金材料結(jié)構(gòu)的最大等效馮米塞斯應(yīng)力是40MPa左右。
　　（3）對大功率LED進(jìn)行基于耦合模擬的影響因素分析，分別研究了進(jìn)口風(fēng)速、進(jìn)口半

4、徑、基板厚度、翅片高度、鍵合材料、基板面材料、翅片開縫7個(gè)因素對 LED散熱性能的影響，得出：1）LED的結(jié)溫、總變形量、等效彈性應(yīng)變、熱應(yīng)變、等效馮米塞斯應(yīng)力、應(yīng)變能均隨進(jìn)口風(fēng)速（1~8m/s）、進(jìn)口半徑（1~7mm）、翅片高度（4~22mm）和開縫翅片數(shù)目（4×1、4×2、4×3）的提高逐漸降低；2）LED的結(jié)溫隨基板厚度（0.5~3.0mm）的增加逐漸降低，后趨于平緩；總變形量隨基板厚度的增加先減小后逐漸增大；等效彈性應(yīng)變、等效馮

5、米塞斯應(yīng)力隨基板厚度的增加先迅速增大，微小變化后逐漸減??；熱應(yīng)變和應(yīng)變能隨基板厚度的增加而逐漸減小；3）LED的結(jié)溫、等效彈性應(yīng)變、熱應(yīng)變以及等效馮米塞斯應(yīng)力隨鍵合材料的影響：Au80Sn20Pb40Sn60；4）LED的結(jié)溫、熱應(yīng)變隨基板面材料的影響：鋁合金>碳化硅>銅；總變形量、應(yīng)變能隨基板面材料的影響：碳化硅>鋁合金>銅；等效彈性應(yīng)變、等效馮米塞斯應(yīng)力隨基板面材

6、料的影響：鋁合金>銅>碳化硅。
　　（4）基于耦合模擬，對大功率LED的多個(gè)設(shè)計(jì)變量（進(jìn)口風(fēng)速、進(jìn)口半徑、基板厚度、翅片高度）進(jìn)行基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化研究，優(yōu)化前進(jìn)口風(fēng)速是4m/s、進(jìn)口半徑是5mm、基板厚度是1mm、翅片高度是5mm，優(yōu)化后進(jìn)口風(fēng)速是4.7067m/s、進(jìn)口半徑是5.8511mm、基板厚度是1.1412mm、翅片高度是22.498mm；優(yōu)化前大功率LED的結(jié)溫是65.114℃，總熱阻是47.19℃/W，GaN