基于ANSYS的LED灯具热分析VIP专享VIP免费

《电气照明》2009年第5期1基于ANSYS的LED灯具热分析南京汉德森科技股份有限公司饶连江raolianjiang@163.com摘要：大功率高亮度发光二极管（LED）以其节能、环保、寿命长等出色性能逐渐渗透到现代照明中，业界专家预测在21世纪上半叶，以LED为代表的新型光源将会逐步发展成为电光源的主流产品。然而，LED照明仍面临着几大难题：发光效率、显色指数、结构散热等。高温对LED发光质量和使用寿命影响巨大，从设计上说，防止过热是最具挑战性的任务之一。因此，使用计算机辅助分析结合实验的方法来模拟LED组件的工作性能变得越来越重要。关键词：ANSYS、LED、CAE、热分析ThermalAnalysisforLEDLumpBasedonANSYSAbstract:High-powerhigh-brightnesslight-emittingdiode(LED)foritsenergy-saving,environmentalprotection,longlifeandotheroutstandingperformancepenetrategraduallyintomodernlighting.LEDexpertspredictthathalfofthe21stcenturyLEDlightingwillbegraduallydevelopedasthemainproductsofthepowerlight.However,LEDlightingisstillfacingseveralbigchallenges:light-emittingefficiency,colorrenderingindex,structureofthermalandsoon.HightemperatureontheLEDlight-emittingenormousimpactonthequalityandservicelife,fromthedesignthatpreventtheoverheatingisthemostchallengingtasks.Therefore,theuseofcomputer-aidedanalysiscombinedwithexperimentalmethodstosimulatetheworkingperformanceofLEDlumpbecomesincreasinglyimportant.KeyWords:ANSYS、LED、CAE、heat-analysis一、引言：大功率高亮度发光二极管（LED）是21世纪最具发展前景的一种新型冷光源。它的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能，当它在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能。由于光谱中不含红外成分，产生的热量不能靠辐射散发，故称LED为冷光源。目前LED的发光效率只有10%~25%，其余的能量转化为热能，如果LED芯片中的热量不能及时散发出去，会加速器件的老化，一旦LED的温度超过最高临界温度，往往会造成LED永久性失效。据报道，LED在30℃下工作的寿命比在70℃下工作时长20倍[1]，因此散热技术是LED灯具设计的关键技术之一。热交换是通过导热、对流换热和辐射换热三种基本方式进行的，可分为瞬态热交换和稳态热交换。一般来说，工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质，设某一时刻，物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为t=f(x,y,z,)，导热的微分方程可表达如下：ct[(t)(t)(t)]…………………………（1）xxyy《电气照明》2009年第5期2zz《电气照明》2009年第5期3式中为密度，单位kg/m³；c为比热容，单位J/(kg.K)；为热导率（导热系数），单位为W/(m.K)；为内热源强度，单位W/m³。对于连续介质，二维对流换热的能量微分方程如下：tcp[utxvtyt(uxvy)](2tx22ty2)……………………（2）式中cp为比定压热容，对于固体和不可压缩流体，cpc；u,v分别为x,y方向的速度[2]。上述热交换的矩阵形式如下：[C(T)]{T}[K(T)]{T}[Q(T)]………………………………………（3）式中[C(T)]为比热矩阵；[K(T)]为传导矩阵，包含导热系数和对流系数；{T}为节点温度向量；{T}为温度对时间的导数；[Q(T)]为节点热流向量。二、分析项目描述：1.灯体描述：图1LED灯具模型图2简化模型分析模型是一款某大型公司的LED灯具，外形规格φ48×38，安装3颗1W的标准LED，安装直径φ12（均布）。2.灯体模型简化：为了节省计算机资源的开支，由灯具的对称性，取1/3模型进行简化分析（图2），单颗LED的封装结构及元器件组成见图3和图4：《电气照明》2009年第5期4图3LED封装结构图图4单颗LED组成图简化后的模型包括：灯体、铝基板、热沉和LED发光芯片。LED封装的塑料部分（热阻很大）、透镜、衬底及细导线等可省略。根据文献，1W单颗LED热辐射带走的热量约为总热量的1.63%，只考虑热传导与对流，改变不同...