功率型LED车灯散热性能研究

摘要

随着半导体科学技术的飞速发展，发光二极管(LED，Light Emitting Diode)以其节能、环保、体积小等特点，成为了现代汽车光源技术的首选。虽然功率型LED在汽车光源领域中取得了越来越广泛应用，但是散热问题却严重限制了其发展。LED在工作时会产生很大的热量，热效应导致了LED器件的结温升高，结温过高将造成光输出降低和寿命减少等问题，严重影响了功率型LED的性能。因此，良好的散热设计是功率型LED照明发展的研究重点。
　　本文基于结构函数理论，使用电学参数法对LED器件进行了热特性测试，获得了LED器件各部分的热阻值，并且系统地分析了影响LED器件散热性能的因素。实验结果表明，LED器件内部各部分热阻不随外部环境的改变而发生变化。添加散热器后，LED器件从P-N结区到环境的热阻降低了72.14％，可见外部散热器对LED器件的散热起到了至关重要的作用。
　　本文设计并制作了一款功率型LED车灯样品，通过热电偶温度测试实验与热特性测试实验获得了车灯样品的结温与热阻。运用三维设计软件PRO/E与有限元热分析软件Icepak联合仿真的方法，对功率型LED车灯模型进行了热力学仿真。将模拟与实验测试结果相对比，验证了仿真模型具有较高的准确性，并获得了LED车灯在静止和行驶工况下的结温，证明此车灯散热结构具有较高的可靠性。
　　对影响车灯热可靠性的因素进行分析梳理，模拟计算了不同芯片粘结材料、基板材料和散热器材料对LED车灯结温的影响。综合考虑LED车灯散热效果、制作成本和制作工艺等因素，选择合适的封装材料，提出了该LED车灯的优化方案。优化后的LED车灯结温为69.66℃，与初始结构相比，结温降低了20.69℃，极大地提高了LED车灯的散热性能与可靠性。
　　综上所述，本文主要通过热特性测试实验和有限元仿真对功率型LED器件和车灯的散热性能进行了研究。验证了有限元仿真在LED灯具散热设计中的可靠性，寻求利用有限元模拟替代实验测试进行功率型LED车灯的热管理和优化设计的方法。本文所获得的实验与模拟结果对LED车灯的可靠性设计具有一定的指导意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 汽车产业与LED

1．2．1 LED发展概述

1．2．2 LED在汽车领域的发展与应用

1．3 国内外发展现状

1．3．1 功率型LED封装级散热发展现状

1．3．2 功率型LED系统级散热发展现状

1．4 本文研究内容

第二章 LED理论基础

2．1 LED的发光原理及光电特性

2．1．1 LED的结构及发光原理

2．1．2 LED光学特性

2．1．3 LED电学特性

2．2 LED结温与热阻

2．2．1 热力学基础

2．2．2 LED的结温

2．2．3 LED的热阻

2．3 LED热学模型

2．4 本章小结

第三章 功率型LED热特性实验研究

3．1 实验原理与实验设备

3．1．1 电学参数法测量原理

3．1．2 结构函数理论

3．1．3 实验设备与测试方法

3．2 LED器件热特性测试

3．2．1 K系数测量

3．2．2 瞬态热测试

3．2．3 热阻测试结果与分析

3．3 功率型LED车灯热特性测试

3．3．1 LED车灯结构设计

3．3．2 灯体温度测量

3．3．3 热特性测试

3．3．4 热阻测试结果与分析

3．4 本章小结

第四章 功率型LED车灯的数值模拟与分析

4．1 有限元理论

4．1．1 有限单元法基本理论

4．1．2 有限元软件ANSYS

4．1．3 热分析软件Icepak

4．2 功率型LED车灯的模型构建

4．3 功率型LED车灯热力学仿真

4．3．1 热力学仿真过程

4．3．2 实验工况热力学仿真

4．3．3 静止工况热力学仿真

4．3．4 行驶工况热力学仿真

4．4 LED车灯封装材料优化

4．4．1 芯片粘结材料对结温的影响

4．4．2 基板材料对结温的影响

4．4．3 散热器材料对结温的影响

4．4．4 LED车灯优化设计

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果