高亮度LED燈的主動液冷方式及優(yōu)化設(shè)計

1.介紹

相對于白熾燈光源，LED的封裝尺寸小，形式多樣以及優(yōu)異的性能近來廣泛應(yīng)用在汽車外燈上，如白光LED用于汽車前照燈的應(yīng)用開始被重視。盡管LED燈以其優(yōu)良的性能使其在汽車前照燈越來越有發(fā)展前景，但使其真正達到能應(yīng)用在汽車前照燈的白光LED水平還處在起步階段。目前，應(yīng)用LED在汽車前照燈只是在一些概念車上，還沒有推廣普及到民用汽車領(lǐng)域。

目前LED燈應(yīng)用在車輛領(lǐng)域中存在光度不夠，高成本等有待解決的問題。條文規(guī)定車輛前燈亮度要求每個燈需達到750lm， 而目前高亮LED等一般平均輸出僅40lm/W，故需更多數(shù)量的LED和更高的供電功率使其滿足上述標準。

隨著對光通量輸出要求越來越高，LED的供電功率也會持續(xù)增加。LED封裝的散熱管理在車輛應(yīng)用方面越來越需要關(guān)注，因為其散熱的好壞會嚴重影響LED的效率，性能及可靠性等方面。

如果二極管結(jié)溫過高，就會降低LED效率而且發(fā)射波長會發(fā)生偏移。因此LED工作溫度必須在其最大容許工作溫度（125℃）以下，才能使其效率最佳發(fā)光顏色偏差不大。所以散熱措施采用必須是全方位，全階段的——從單個器件，封裝級，板級到系統(tǒng)級的熱分析。裸芯片（die） 發(fā)光LED已經(jīng)進行商業(yè)方面的熱分析應(yīng)用。熱分析模擬借助CFD（計算流體力學）方法對此類LED各個階段進行全方位的熱分析進而找出較合適的散熱方案。本文利用CFD軟件FloTHERM進行散熱優(yōu)化措施設(shè)計的研究。

2.主動式液冷方法的選擇

2.1 從器件到板級

以Cree XBright900型的LED為例。此LED是一個900*900 微米大小的芯片作為商用的裸芯片（die）提供。此LED在2.5nm 空間內(nèi)產(chǎn)生460-470nm的波長，顏色為藍色。需要對每個LED散出的2.7W熱量進行散熱控制。此LED系統(tǒng)是由15個小LED以每3顆分布在5個電路板子上構(gòu)成的。

為了簡化安裝過程，把每顆LED進行單獨封裝。進而使LED需要通過一層磷光質(zhì)使GaN（氮化鎵）基LED把藍光轉(zhuǎn)化為白光（可見光）發(fā)射出去。產(chǎn)生的熱量直接通過器件耗散到封裝外殼上。故高導(dǎo)熱率的陶瓷片需要選擇以提供較小的熱阻路徑和較好的電絕緣性。AIN陶瓷材料（K=200W/mK）非常適合作為大功率下熱耗散的良導(dǎo)體。LED到AIN陶瓷封裝底部之間的熱阻計算值小于2℃/W。

AIN陶瓷封裝安裝在一塊絕緣金屬基板上（IMS）（圖1）。IMS基板提供熱擴散和熱沉提供良好的熱通路進而大大簡化了此系統(tǒng)的設(shè)計。IMS由三層組成：銅箔回路層、薄的電介層以及鋁基板。

幾種材料構(gòu)成介質(zhì)層和IMS的三層不同厚度組合的結(jié)構(gòu)進行熱分析方面比較發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的板子應(yīng)該是較厚的回路層以較快速率傳遞熱量加上一層很薄的且導(dǎo)熱率很高的介質(zhì)層以減少其熱阻，這些層的厚度由IMS制作工藝來決定。此文所選的IMS結(jié)構(gòu)具體如下表所示：70μm銅層，75μm介電層導(dǎo)熱率為 2.2W/mK和1mm厚的鋁基板。

表1.IMS板結(jié)構(gòu)和模型中的材料

2.2 系統(tǒng)級——空氣冷卻

應(yīng)用汽車前照燈要求光必須是向前照。為此需要把IMS板安放在前照燈組件后面的45度面處。對于被動式冷卻，熱沉直接就安裝在IMS板的背面。在實際中，整個系統(tǒng)應(yīng)放在前照燈的空腔里通過對流進行換熱。由于空腔尺寸有限，熱沉的尺寸收到了限制。如圖2 所示，LED的結(jié)溫遠遠超出其最大容許值125℃。

圖2. 被動式冷卻方案前照燈剖面溫度云圖（Tj=200℃）

主動式空氣冷卻也進行了研究。然而由于其內(nèi)在的空間以及周圍件的約束采用較大數(shù)量的高速風扇是不可行的。從其可靠性，成本及加工方面考慮都是行不通的。綜上所述，液冷措施被確定為下一步研究方向。

2.3 系統(tǒng)級——被動式液冷

有兩種被動式液冷可以考慮：被動式封閉循環(huán)和熱管兩種方式。

模擬結(jié)果說明被動式封閉循環(huán)可以達到要求，可以使LED的結(jié)溫能維持在最大容許工作溫度下。然而被動式系統(tǒng)中液體驅(qū)動力是通過浮力來獲得的。因此，此系統(tǒng)需要一個熱交換器放在熱源上，里面形成的較熱、較輕液體（如水）將上行抵抗重力被冷卻。雖然從熱的角度看是可行的，但實際中此方法并不適合對前照燈進行冷卻，因為前照燈設(shè)計里要求熱交換器必須放著LED燈具的下面。

對于熱管冷卻的辦法，一個循環(huán)熱管系統(tǒng)只是一個系統(tǒng)內(nèi)的熱量循環(huán)。然而，需要每一個LED板都需單獨裝上一套熱管系統(tǒng)進而大大增加了整個LED燈具冷卻系統(tǒng)的成本。靈活的熱管產(chǎn)品（ 如Thermotek，Dau）其價格每個大約在1000$。況且，即使單從散熱分析的角度考性可行，但由于其工程難度和成本方面看，采用熱管方式冷卻也是不可行的。

綜上所述，解決汽車行業(yè)應(yīng)用高亮LED所需的冷卻措施需要投向主動式冷卻辦法。

3.主動式冷卻

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液冷系統(tǒng)包括如下：泵，連接熱源（IMS板）的冷板，蓄水池和熱交換器。它們之間用管子連接構(gòu)成封閉的回路系統(tǒng)。

鑒于每一個板子都要調(diào)整，故每個冷板需要單獨貼在每個相應(yīng)的板子上。由于重量和體積的限制，以及遠光和近光不會同時開啟，故遠光和近光共同使用一個熱交換器。進而可以用加倍體積的換熱器帶走更多的熱量。換熱器是由熱沉及底部液冷盤管構(gòu)成?？紤]到熱特性和易用方面，冷卻系統(tǒng)采用的工質(zhì)主要是用增添添加劑的水（添加劑如：防凍液，乙二醇，抗藻及抗菌劑等。）

有幾種組合方案可以考慮。為了降低對泵的損壞和提高其可靠性，故泵的液冷部分是可見的。第一種方案是五個近光和遠光（LB-HB）循環(huán)系統(tǒng)平行放置（圖三）。從理想的熱分析角度去看，需要兩套岐管加上兩個輸水軟管及連接部件。然而此方案使整個系統(tǒng)變得太復(fù)雜，因而不宜采用。

圖3 冷板和散熱器設(shè)計及軟管連接

第二種解決方案由同樣的5個LB-HB冷板回路構(gòu)成，但是之間的鏈接用一個單循環(huán)構(gòu)成。此循環(huán)路徑很長導(dǎo)致壓降很大。熱分析模擬結(jié)果表明回路的壓降值正好在泵壓頭一下，故不會對此冷卻系統(tǒng)造成散熱方面不利的影響。

最后，一個備選的方案推出，此液體方案是一個回路通過一系列近光燈（LB）冷板，然后通過一些列遠光燈（HB）冷板，最后經(jīng)過散熱器（如圖4）。此設(shè)計的優(yōu)點是管子數(shù)量從17根減到14根，較少的管子數(shù)有利于兩種光單獨進行調(diào)整進而易于安裝。熱分析表明此方案中在整個回路里最后一個板子上的3個LED的結(jié)溫僅比第一方案中對應(yīng)的結(jié)溫高5度。

圖4 主動式液冷裝置結(jié)構(gòu)：液冷回路連接所有的LB冷板然后流入HB板進而流入散熱器

圖5是應(yīng)用FloTHERM分析建立的三維仿真模型。

圖5 在前照燈空間內(nèi)完整的近光燈系統(tǒng)的主動式液冷全模型

3.2 散熱優(yōu)化

3.2.1 液體流動優(yōu)化

圖6所示在泵的名義流量變化下（壓降為0）模擬計算的LED溫度的變化曲線。隨著泵名義流量的增加，LED結(jié)溫逐漸下降。然而，當流速高于0.12 l/s后，結(jié)溫變化不顯著。

圖6 計算得到的LED結(jié)溫曲線（藍線）和IMS板溫度（紅色）

圖7 表明了名義流量和實際流量之間的關(guān)系。對于較低的名義流量下流體的壓降變化很小，然而隨著流量增加液體回路的壓降限制了實際流量。圖8所示回路中壓降和流量之間的關(guān)系和泵的線性特征在名義流量0.12l/s 和名義壓頭（無流量時）25kPa的關(guān)系。結(jié)果表明封閉的泵需要在合適的工作點范圍內(nèi)運行才比較合理。

圖7 泵的名義流量和實際流量對比曲線

圖8 液冷式回路和泵的線性特性組成的壓力和流量特征線

3.2.2 熱交換器（熱沉）的優(yōu)化

散熱器的設(shè)計取決于其外部的條件，如空氣流動的類型和工作環(huán)境，這些都決定了器件的擺放位置及空氣流速。在本例中，熱沉被水平放置，因為流動方向不能選擇，故為了降低整體重量需要對散熱器的齒片形狀進行選擇。

散熱器外形優(yōu)化有很多參數(shù)需要考慮，如齒片長度，數(shù)量，基座厚度等。由于上述參數(shù)都會對LED溫度有影響，故需要迭代程序?qū)σ幌盗袇?shù)進行*估。下面是對系列參數(shù)的研究結(jié)論：

1）熱沉基座厚度（t）。基于其連接冷板下面進而把熱量傳遞到整個面積上，故基座厚度對LED溫度影響很小。為了減少熱沉重量，在機械方面容許的情況下盡可能減少厚度。確定選擇厚度為5mm。

2）熱沉高度（H）。 熱沉的整體高度等于基座厚度（t）加上齒高（h）。齒高大小事此優(yōu)化中最重要的參數(shù)。盡量的采取較高的尺寸，但注意不能遮擋光的限制。

3）齒片長度（l）。計算最優(yōu)值是4.5mm。然而LED溫度對于齒片長度在最優(yōu)值附近波動的敏感度很小。根據(jù)模擬情況，其值在3.5-6mm之間變換時溫度波動小于1度。所以在上述范圍內(nèi)齒片長度都是可以行的。

4） 齒片寬度（w）。計算最優(yōu)值是9mm。類似于齒長，齒寬在7.5-10mm之間變化時，溫度波動很小。

5）X方向齒數(shù)（Nx）。計算最優(yōu)值40個，及此方向齒間距5.1mm。從熱模擬結(jié)果看，此算例中X方向的齒數(shù)在35-45之間變換。

6）Y方向齒數(shù)（Ny）。由于前照燈空間的限制，在最寬的邊上放盡可能多的齒，最窄邊放較少的數(shù)量。經(jīng)計算最優(yōu)值在為7個，其間距為4mm。7個以上也是可行的。

7）鋁質(zhì)散熱器的最終優(yōu)化熱沉重量少于800克。

圖9 熱沉參數(shù)及三維尺寸

因為此系列優(yōu)化參數(shù)之間會互相影響（如齒長和齒寬），故在整個優(yōu)化過程中需要同時考慮這些因素。（見圖10）

圖10 齒長和齒寬相互變化時LED溫度的變化A）3D視圖B）剖面圖

其它參數(shù)（如齒數(shù)）是獨立參數(shù)，可以單獨進行優(yōu)化（如圖11）。

圖11 LED溫度和齒數(shù)的關(guān)系（X方向：深蘭色；Y方向：粉色）

總之，優(yōu)化后的熱沉尺寸如下所示（單位：mm）

優(yōu)化結(jié)果

t=5，H》30，h》25， l=“4”.5，w=9，Nx=8，Ny=7

可微調(diào)的參數(shù)（結(jié)溫變化小于1度）

4. 結(jié)論

此文闡述了對于高亮度LED燈應(yīng)用在創(chuàng)新型汽車前照燈時采取的主動液冷方式及其優(yōu)化。

文中說明了空氣冷去和被動液冷的方式要么不能滿足LED結(jié)溫最大容許溫度要么無法在實際中實現(xiàn)。雖然有的方法單從散熱分析的角度來看是可行的，但考慮到光學和機械方面又不能滿足要求。因此為了找到合適的散熱管理方法需要對前照燈設(shè)計進行全面考慮。

基于此主動式液冷方式被確定為最適合的優(yōu)化方案。此文闡述了幾種不同的主動式液冷方案并進行了對比研究。散熱優(yōu)化還包括了液體流動優(yōu)化和熱沉優(yōu)化進而最大可能的提高其散熱性能。在整個優(yōu)化方案尋優(yōu)中，熱方面不是唯一考慮的因素，所有相關(guān)的方面都加以了考慮如工藝制造和產(chǎn)品具體要求等方面。

隨著高亮度白光LED的發(fā)展，將來對特定光的供電功率會進一步持續(xù)降低。因此熱耗散量也會降低。隨著對系統(tǒng)加電功率的降低和熱耗散量的減少，冷卻方式可能又會采用被動冷卻的方式。

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