LED汽車前大燈散熱與光衰研究

　　眾所周知，半導(dǎo)體材料在工作時(shí)受環(huán)境溫度影響較大。大功率LED的光電轉(zhuǎn)換效率更低，工作過程中只有10%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能。加之汽車前大燈安裝在炙熱的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，高溫水箱、引擎、排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱將LED前大燈置于嚴(yán)酷的環(huán)境中。傳統(tǒng)車燈燈泡所產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于LED，但燈泡輸出的亮度不會(huì)因?yàn)闊岫兓?，其熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是殼體內(nèi)的均溫設(shè)計(jì)。而LED的光輸出卻會(huì)因?yàn)樽陨淼臒峄騺碜园l(fā)動(dòng)機(jī)艙的高溫而影響本身PN結(jié)溫穩(wěn)定，LED光通量ФV和波長等重要參數(shù)受到PN結(jié)溫的直接影響，這種不良的溫度循環(huán)將導(dǎo)致發(fā)光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設(shè)計(jì)的重要課題。

　　1、汽車前大燈的散熱技術(shù)

　　1.1 被動(dòng)散熱與主動(dòng)散熱

　　通常的散熱設(shè)計(jì)中，焊裝大功率LED的電路板被緊緊固定在散熱器上。LED工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)方式經(jīng)由電路板被傳導(dǎo)到熱傳導(dǎo)率較好的鋁質(zhì)散熱器上。鋁質(zhì)散熱器的翼片與空氣大面積接觸將熱散發(fā)開來。為了有效地減小散熱器和電路板之間的熱阻，其間填充了導(dǎo)熱介質(zhì)。選用的散熱器其翼片形狀和面積是可以滿足LED大燈散熱方案的設(shè)計(jì)。這種散熱方式我們稱之為被動(dòng)散熱[2]。

　　主動(dòng)散熱常用液冷、熱管、風(fēng)冷等方式。由于液冷使用的液體必須在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，熱管則依靠高導(dǎo)熱性能的傳熱元件在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，二者都不適合車燈內(nèi)使用。風(fēng)冷散熱具有價(jià)格較低、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)最為常用。針對(duì)被動(dòng)散熱方式存在的散熱器中心區(qū)域溫度相對(duì)集中的情況，加裝風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流后(見圖1)，對(duì)緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。

　　1.2 LED散熱通道設(shè)計(jì)

圖1：加裝風(fēng)扇后強(qiáng)制對(duì)流

　　通常LED被焊在雙面敷銅層的印制板(PCB)上[1]，LED的底面與PCB的敷銅面焊在一起，為提高散熱效率，以較大的敷銅層作散熱面。這是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)[3]。

　　本文研究的汽車前大燈用LED是目前OSRAM公司最大功率的一種LEUMD1W4[3]；管芯散熱設(shè)計(jì)選用了一種更利于散熱的LE3S封裝[1]。這種封裝的特點(diǎn)是，以面積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時(shí)將LED基座與鋁基板接觸區(qū)域的絕緣介質(zhì)剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導(dǎo)至LED的外部。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)去處了管芯和基座之間的介質(zhì)減少了熱阻，更直接地將管芯的結(jié)溫導(dǎo)出(見圖2a)。

　圖2 ：汽車大燈用L ED、等效熱阻散熱路徑圖（點(diǎn)擊圖片放大）

　　本文研究的LED汽車前大燈主要散熱路徑是：管芯→銅合金基板→鋁基板→散熱器或機(jī)殼→環(huán)境空氣，(見圖2b)。若LED的結(jié)溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA，散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)，在熱傳導(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA，RJA與各熱阻關(guān)系為：RJA=RJC+RCB+RBA，銅合金基板和鋁基板導(dǎo)熱性能接近且熱阻小，其導(dǎo)熱性能就好，即散熱性能也越好[2]。該散熱結(jié)構(gòu)的總熱阻比常規(guī)結(jié)構(gòu)減少近26%。

　　2、車燈環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于現(xiàn)階段的LED的輸出光通量低，僅汽車近光燈就需要1000lm以上。考慮到汽車前大燈的配光要求以及電學(xué)、光學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性，LED應(yīng)用于汽車前大燈常需要集幾顆甚至幾十顆LED元件于一塊模組中，才能滿足車燈法規(guī)所需的要求。目前，我們針對(duì)O2star[1]和X2lamp產(chǎn)品的類似封裝進(jìn)行配光設(shè)計(jì)。其中OSTAR4chip車燈專用的LEUMD1W4[3]單只LED輸出光通量大于350lm，陣列3只這種LED即可滿足車燈1000lm的基本要求。

　　(1)擴(kuò)大散熱面積提高傳導(dǎo)效率。在LED汽車前大燈近光單元設(shè)計(jì)中，3顆大功率LED陣列在鋁基板上。這種緊密排列的大功率LED熱量的高度集中和散熱難度可想而知。試驗(yàn)樣件的做法是鋁基板與散熱器緊密貼合固定。二者之間的填充了性價(jià)比較高且使用簡單的導(dǎo)熱硅脂，在整個(gè)散熱系統(tǒng)中，硅脂層其實(shí)是散熱關(guān)鍵之所在。目前主流導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m·K，優(yōu)質(zhì)的可達(dá)到6W/m·K以上，試驗(yàn)選擇了性價(jià)比較高導(dǎo)熱率達(dá)到4。4W/m·K的TG2244導(dǎo)熱硅脂。

圖3：風(fēng)冷和外置散熱（點(diǎn)擊圖片放大）

　　(2)強(qiáng)制對(duì)流提供與外界空氣熱交換。在散熱片的背面加裝風(fēng)扇促使強(qiáng)制空氣流動(dòng)。風(fēng)扇加速了散熱片的熱交換的同時(shí)，流動(dòng)的空氣也直接從PCB板上帶走了部分熱量。由于燈體的狹小且密封，與外界的空氣對(duì)流幾乎不可能。圖3a所示風(fēng)冷結(jié)構(gòu)中風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流可以緩解散熱器中心區(qū)域與周圍環(huán)境的溫度不均勻，使燈體內(nèi)部和燈體外殼的溫度盡量接近。有助于將內(nèi)部的熱通過外殼和外置散熱器傳導(dǎo)出去。

　　(3)散熱器部分外置。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的分布及燈體安裝的空間大小，將燈體散熱器設(shè)計(jì)為內(nèi)置和外置二個(gè)部分，如圖3b所示。外置散熱器設(shè)計(jì)在燈殼的上緣。內(nèi)置LED產(chǎn)生的熱由內(nèi)置散熱器傳導(dǎo)到外置的散熱片上，再通過對(duì)流散熱?？紤]到燈光通常在行駛時(shí)開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)艙受到強(qiáng)對(duì)流風(fēng)冷的作用，溫度相對(duì)較低。加之車燈外殼上緣恰好暴露在車前蓋的縫隙處，車輛行駛時(shí)車蓋縫隙導(dǎo)入的氣流流經(jīng)外置散熱片的翼片，外置散熱器受到空氣的風(fēng)冷。外置散熱器對(duì)燈內(nèi)的降溫發(fā)揮了很好散熱作用。

　　3、試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)

　　3.1 試驗(yàn)設(shè)置和設(shè)備

　　根據(jù)理論設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)仿真，制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚅ED前大燈工作樣件。樣件制作要求盡量接近目標(biāo)產(chǎn)品，以求研究成果更快更好地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品。燈體內(nèi)分別安裝了以LED為光源的遠(yuǎn)光燈、近光燈以及轉(zhuǎn)向燈、位置燈。測試觀察的重點(diǎn)是燈體內(nèi)部溫度對(duì)光衰的影響。

　　主要測試設(shè)備為遠(yuǎn)方光電信息有限公司的YF1000光色電綜合分析系統(tǒng)、車燈配光自動(dòng)測試系統(tǒng)以及多點(diǎn)溫度檢測儀等專用設(shè)備。測試點(diǎn)分別是：車燈照度、光型、LED光源溫度、PCB溫度、散熱器溫度以及燈腔不同位置的溫度梯度[4]。設(shè)備具有自動(dòng)記錄和數(shù)據(jù)預(yù)置功能，以驗(yàn)證散熱與光衰的關(guān)系。

　　3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　圖4是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關(guān)系曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動(dòng)散熱和強(qiáng)制對(duì)流的主動(dòng)散熱3種不同散熱設(shè)計(jì)存在相當(dāng)大的差異。后二種在105℃時(shí)，基本上能夠提供80%以上的出光率。

圖4：散熱效果不同對(duì)光衰的影響

　　一般功率器件(如電源IC)散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對(duì)LED的出光率及壽命有較大影響，TJ越高會(huì)使LED的出光率越低，壽命越短。OSTAR公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系，如圖5所示。

圖5：OSTAR公司LED結(jié)溫影響壽命圖

　　我們對(duì)圖3b所示的前大燈樣件做了不同條件下的光衰測試，試驗(yàn)建立在LED散熱良好的基礎(chǔ)上，模組安裝在大燈封閉殼體內(nèi)，溫度檢測點(diǎn)在LED光源附近。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)的環(huán)境溫度是在燈體外部施加的。試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境溫度60℃時(shí)，光衰緩慢；100℃時(shí)，光衰加劇(見圖6)。

圖6：不同溫度環(huán)境下LED的光衰

　　4、結(jié)論

　　LED自身的PN結(jié)產(chǎn)生的結(jié)溫升高，使LED的光衰加劇、發(fā)光效率受到影響，壽命變短。應(yīng)用LED作為汽車前大燈光源時(shí)，通常會(huì)采用多個(gè)LED芯片陣列設(shè)計(jì)。因此在LED前大燈樣機(jī)設(shè)計(jì)中，首先做好LED散熱設(shè)計(jì)使結(jié)溫受到控制之后，根據(jù)LED大燈的運(yùn)行環(huán)境，控制驅(qū)動(dòng)功率和溫升，大功率LED小于80%的光衰和3000h的壽命才能得到基本保障。LED汽車前大燈產(chǎn)品才有廣泛的市場前景。

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