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1、本文主要运用热传导、对流、辐射以及能量守恒定律等相关理论知识，对 LED 散热器的导热、散热机理进行了简单的分析，并就环境温度、散热器导热系数、表面材料的辐射系数等因素对 LED 灯结温的影响进行了讨论。最后通过实验对部分分析结果进行了验证。LED 灯由于节能、环保、工作寿命长等特点而倍受社会各界的关注，然而大功率 LED灯在工作过程中，除发光外同时产生大量热能，而 LED 结温(芯片温度)的高低直接影响灯具的寿命。因此，大功率 LED 灯需要散热器将热量二次导出，并散发到环境中。通电开始LED 灯及散热器的温度会不断升高，工作一定时间后，LED 灯产生的热量与散热器等散出的热量达到一定的平衡
2、，最终 LED 灯的结温达到一个稳定状态。LED 灯结温的高低除与其本身的参数、实际功率有关外，还与散热器的性能有关，下面就 LED 结温与散热器性能的关系及 LED 散热器导热、散热的机理进行分析、讨论。一、LED 散热器导热、散热机理分析我们采用同样的灯源、环境和连接方式，对不同的散热器进行分析，在实际 LED 结温测试时，为了测温点的稳定性，我们给 LED 灯及散热器外置了一个玻璃箱(参见图 1)。Q 产=W*a*t式中：Q 产：LED 灯工作时产生的热量W：LED 实际功率a：系数(与发光效率有关)t：时间产热在一定条件下，LED 灯工作时，同样的灯源和电源产生的热量可以简单地认为与其
3、功率、时间等成正比，基本上是一个恒定值，与散热器无关，可用下式表示：散热图 1 所示 LED 散热过程如下：首先，LED 灯产生的热量少部分传递给灯罩，大部分通过铝基板传给散热器，再由散热器上端面传导至散热器外表面，然后由散热器外表面、灯罩(因实验条件相同，这里假定灯罩传递的热量数值变化不大，是一个定值)等渠道通过热辐射、对流等方式将热量传给玻璃箱内的空气，最后热量再通过玻璃箱直接传到环境空气中。其中 LED 灯到散热器外表面的传热方式以传导为主，另外有少量热(散热器内腔)通过对流和辐射等方式传递，为便于分析在此忽略不计。LED 传导到散热器外表面的热量应与LED 灯和散热器外表面平均温度的温
4、差(散热器外表面的温度因形状复杂，为便于分析取平均值)成正比，与散热器的传热面积成正比，又与散热器的形状、材质(或热阻)等有关。散热器外表面到玻璃箱内空气的传热，部分以辐射形式散出，根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，其数值主要与散热器表面平均温度与玻璃箱内空气温度四次方的差、散热器外表面积成正比，并与散热器外表面材料的热辐射系数有关。部分以热传导和自然对流形式散出，因为空气热传导系数很小，为便于分析，此处将散热器对玻璃箱内空气的热传导暂忽略不计，自然对流散热与散热器外表面积、散热器外表面与玻璃箱内空气温度的温差及散热器表面空气对流系数(在散热器表面形状相似，玻璃箱内空气基本一致的情况下，对流系数可近似
5、认为是定值)等成正比。综合考虑，散热器外表面到玻璃箱内空气总的散热可简单认为主要与散热器表面平均温度与玻璃箱内空气温度若干次方的差、散热器外表面积成正比，并与散热器外表面材料的辐射系数等有关。玻璃箱热量传到环境空气的方式应当与散热器外表面散热方式相同，同时存在热辐射、热传导和对流散热，与散热器本身无关。其中辐射散热应与玻璃箱温度四次方和环境温度四次方的差成正比，与玻璃箱材质(辐射系数等)、外表面积等有关;热传导也忽略不计;自然对流散热与玻璃箱、环境温度的温差成正比，与玻璃箱表面空气的对流系数、外表面积等有关。因此，玻璃箱传到环境的总热量可以简单认为与玻璃箱温度若干次方和环境温度若干次方的差成正
6、比，与玻璃箱材质、外表面积、环境空气等有关，与散热器本身无关。根据以上分析，上图所示 LED 灯产热、散热平衡后，各阶段的传热公式可简单表示如下：Q 散 1-2=K*S 传*(T1-T2)/L=(T1-T2)*b*S 传 (K 为导热系数，L 为传热距离)Q 辐 2-3=(T24-T34)*A*S 散 (T 为绝对温度)Q 流 2-3=(T 2-T 3)*B*S 散Q 散 2-3= Q 辐 2-3 + Q 流 2-3 + Q 传 2-3 (T2m-T3m)*c*S 散 (T 为绝对温度)Q 辐 4-5=(T44-T54)*E (T 为绝对温度)Q 流 4-5=(T4-T5)*FQ 散 4-5=
7、 Q 辐 4-5 + Q 流 4-5 + Q 传 4-5(T4n-T5n)*d (T 为绝对温度)式中：Q 散 1-2：LED 灯到散热器外表面散出的热量Q 散 2-3：散热器外表面到玻璃罩空气散出的热量Q 辐 2-3：散热器外表面到玻璃罩空气热辐射散出的热量Q 传 2-3：散热器外表面到玻璃罩空气热传导散出的热量(忽略不计)Q 流 2-3：散热器外表面到玻璃罩空气自然对流散出的热量Q 散 4-5：玻璃罩到环境空气散出的热量Q 辐 4-5：玻璃罩到环境空气热辐射散出的热量Q 传 4-5：玻璃罩到环境空气热传导散出的热量(忽略不计)Q 流 4-5：玻璃罩到环境空气自然对流散出的热量T1：LED
8、灯结温T2：散热器外表面平均温度T3：玻璃罩内空气平均温度T4：玻璃罩温度(T4 与 T3 应该是正比关系，即 T3 越高 T4 也越高)T5：环境温度A：系数(与散热器表面材料辐射系数等有关)B：系数(与散热器表面空气对流系数有关，为便于分析此处可认为是一恒定值)E：系数(与玻璃箱辐射系数、外表面积等有关，此处可认为是一恒定值)F：系数(与玻璃箱外表面积及空气对流系数等有关，此处可认为是一恒定值)b：系数(与散热器导热系数即：材质、形状、厚度、LED 铝基板与散热器的封装等有关)c：系数(与散热器表面材料辐射系数等有关)d：系数(与玻璃箱外表面积、空气对流系数等有关，与散热器无关，此处可认为
9、是一恒定值)m=1 n=1 s 散=散热器有效散热面积S 传=散热器有效平均传热面积LED 产热、散热过程分析LED 灯在发光的同时不断产生热量，并通过散热器最终传到环境中，经过一定时间后产热、散热达到平衡，而 LED 灯的温度也由最初时的不断升高到相对稳定。在此，我们选用同样的灯源、电源，并假设环境温度是一定的，根据能量守恒定律，在 LED 灯达到热平衡后下式应该成立：Q 产= Q 散总=Q 散 1-2+Q 罩(灯罩部位散出的很少热量，假设为定值，下同)= Q散 2-3+Q 罩= Q 散 4-5同一散热件LED 铝基板与散热器封装不同(即系数 b 不同，封装差，b 小)，其它条件相同：因相同
10、散热器，同样的灯源、电源、环境温度和玻璃箱，所以热平衡以后，Q 产、Q 散 1-2、Q 散 2-3、Q 散 4-5 、c、d、T5、S 传、S 散是一定的。根据前述及由公式 Q 散 4-5=(T4n-T5n)*d 可知：不同封装的散热器 T4 是相同的，当然 T3 也是相同的;由公式 Q 散2-3=(T2m-T3m)*c*S 散可知 T2 是相同的;对封装差的散热器，系统热阻增大，因此系数b 偏小，而 Q 散 1-2 是相同的，代入公式 Q 散 1-2=(T1-T2)*b*S 传，可知封装差的散热器(T1-T2)较大，故 T1 较高。即同一散热器，同样的灯源、电源、环境温度，热平衡后，封装差的
11、散热器 LED 结温较高，而散热器外表面温度基本不变。LED 灯实际功率不同(功率越大，Q 产越大)，其它条件相同：因散热器、封装、环境温度和玻璃箱相同，则 b、c、d、T5、S 传、S 散是一定的。功率越大，Q 产越大，因此Q 散 1-2、Q 散 2-3、Q 散 4-5 也越大。由 Q 散 4-5=(T4n-T5n)*d 可知：功率越大 T4越大，那么 T3 也越大;再由 Q 散 2-3=(T2m-T3m)*C*S 散可知功率越大 T2 越大;同理由Q 散 1-2=(T1-T2)*b*S 传可知功率越大，T1 也越大。即同一散热器，封装和环境温度相同，功率增大，热平衡后，散热器外表面温度、L
12、ED 结温均升高。环境温度不同(T5 不同)，其它条件相同：因散热器、灯源、电源、封装以及玻璃箱相同，则 Q 产、Q 散 1-2、Q 散 2-3、Q 散 4-5、c、d、S 传、S 散是一定的，如果 T5 升高，由公式 Q 散 4-5=(T4n-T5n)*d 可知：T4 会相应升高，T3 也会升高;同理，T2、T1 应该也相应升高。即同一散热器，封装和功率相同，环境温度升高，热平衡后，散热器外表面温度、LED 结温都相应升高。形状相同或相似的不同散热器LED 灯产热、散热达到热平衡后，因为灯源、电源相同，对形状相同或相似的不同散热器 A、B，应该有以下等式成立，即：Q 产 A=Q 产 B= Q
13、 散 A= Q 散 B，因此，Q 散A4-5= Q 散 B4-5，即(TAn4-TAn5)*dA= (TBn4-TBn5)*dB。假定环境温度一样，玻璃箱相同，则 TA45=TB45，dA=dB，那么，TA4= TB4，TA3=TB3。即形状相同或相似的不同散热器，只要电源、灯源一样，环境温度和玻璃箱相同，玻璃箱内空气平均温度是相同的。同理，形状相同或相似的不同散热器 A、B，使用同样的 LED 灯，电源和环境温度相同，达到热平衡后：Q 散 A2-3=Q 散 B2-3，即(TAm2-TAm3)*CA*S 散 A=(TBm2-TBm3)*CB*S 散 B 成立。不同情况分述如下：(1)散热器 A
14、、B 材质相同，封装相同，形状相同或相似，散热面积不同(假定 S 散AS 散 B)：散热器材质相同，那么散热器的表面材料相同，辐射系数应该相同，即 CA= CB;因 S 散 AS 散 B，若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S 散 A=(TBm2-TBm3)*CB*S 散 B 成立，必然 TAm2-TAm3 (2)散热器 A、B 形状相同或相似，材质、导热系数以及表面材料辐射系数不同(假定C 散 AC 散 B，即 A 散热器辐射效果优于 B 散热器)：外观相同或相似，则 S 散 AS 散B。若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S 散 A=(TBm2-TBm3)*CB*S 散 B 成立，必然
15、 TAm2-TAm3 如果 A 散热器材料的导热系数高于 B 散热器，同时封装等于或好于 B 散热器(即bAbB)：因 S 传 AS 传 B,若要等式(TA1-TA2)*bA*S 传 A=(TB1-TB2)*bB*S 传 B 成立，必然 TA1-TA2 如果 A 散热器材料的导热系数高于 B 散热器，但封装不如 B 散热器：则 bA 不一定大于 bB，也就是 TA1-TA2 不一定小于 TB1-TB2，所以 TA1 不一定小于 TB1。即同样形状、不同材质的散热器，电源、灯源一样，环境温度相同的情况下，表面材料辐射效果好的散热器，在其导热系数高但封装较差的时候，LED 灯结温也不一定低。众所周
16、知，目前市场上大功率 LED 散热器以压铸铝材质为主，那么导热系数比铝高、辐射效果比铝好的材料做成的散热器是更理想的。但据我们所知，目前这种材料是没有的，即使有，做成 LED 灯散热器，其价格应该非常昂贵。如果 A 散热器材料的导热系数低于 B 散热器，同时封装次于或等于 B 散热器(即bATB1-TB2，前已知 TA2 如果 A 散热器材料的导热系数低于 B 散热器但封装好于 B 散热器：则 bA 就不一定小于 bB，可能大于或等于 bB，这时就有可能 TA1-TA2TB1-TB2，因 TA2 (3)散热器 A、B 形状相同或相似，封装相同，材质不同但表面材料辐射系数相同或相近(即 C 散 AC 散 B)：外观相同或相似，则 S 散 AS 散 B。若要等式(TAm2-TAm3)*CA*S 散 A=(TBm2-TBm3)*CB*S 散 B 成立，必然 TAm2-TAm3TBm2-TBm3，前已知TA3=TB3,因此 TA2TB2;同理，热平衡后，(TA1-TA2)*bA*S 传 A=(TB1-TB2)*bB *S 传B，在此 S 传 AS 传 B
