基于混合法的LED灯具结温表征及快速寿命预测研究

摘要

LED因其节能环保、寿命长等显著优势得到了世界各国政府的大力支持，欧美等发达国家甚至将其作为一种战略性产业发展。LED照明正逐步的取代传统照明技术开始主导着照明市场的发展方向。然而，LED作为一种新的技术，由于其自身的复杂特性，其热管理和寿命评估问题成为制约LED产业发展的重要因素。本文以传统的LED照明灯具为研究对象，利用计算流体动力学模拟和基于性能退化的步进加速退化试验，建立了LED灯具结温研究的热电耦合模型，在仿真分析的基础上进行了LED的快速寿命预测，同时基于LED寿命预测的基本理论和相关的数学模型，以Matlab软件为开发环境，开发了一款用于LED灯具寿命预测的应用软件。主要的研究内容如下：　　（1）针对目前LED热分析中边界条件不确定的问题。为了使仿真与实际情况更加接近，利用已有数值分析方法分别建立了传统灯具的热电耦模型和LED封装体的热电耦合分析模型，借助Icepak软件和数学差值处理，完成了用于LED灯具结温的分离式仿真分析，同时对分析结果进行了试验验证；　　（2）在热电耦合分析的基础上，研究了LED灯具内部LED器件的结温分布规律。基于LED结温与寿命的关系，运用蒙特卡罗模拟的方法探讨了一种LED灯具的快速寿命预测方法。研究了LED灯具光源子系统的可靠性以及完整LED灯具系统的可靠性，实现了LED灯具的快速寿命预测。　　（3）基于寿命试验的LED灯具寿命预测方法，以Matlab7.0软件为开发平台，将LED可靠性的评估算法程序化，完成了系统面板开发。完成了步进加速试验，并运用该系统实现了在LED灯具可靠性评估过程中的初步成功运用。　　研究结果表明：1）分离式仿真分析的方法既有效的克服了传统有限元分析边界条件不能确定的问题，又能获得比传统CFD分析更加准确的分析结果。同时，简化了仿真分析的处理过程。在LED热分析的过程中考虑了LED的热电特性使分析与实际情况更加接近；2）在热分析的基础上运用统计分析的办法，获得了LED灯具内部LED器件的结温分布。综合的考虑了LED在生产过程中的随机性对产品质量影响而造成的仿真分析与试验的误差，并将误差纳入了仿真分析的过程。运用蒙特卡罗模拟的方法获得了LED光源的寿命分布，进而完成了LED完整灯具的寿命预测。该方法较试验的方法快速有效，且能用于LED灯具的可靠性设计之中；3）开发了一款用于LED可靠性试验数据处理的可靠性评估工具软件，选用LED灯具开展了基于性能退化的步进加速退化试验，并使用开发的软件初步成功的完成了寿命预测。该软件操作简单方便，能够满足寿命试验的一般要求，提高LED灯具寿命评估的工作效率，具有良好的应用价值。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景及意义

§1.3 课题国内外研究现状

§1.4 课题研究思路及技术路线

§1.5 课题研究内容和创新点

第二章 LED结温和寿命相关研究的理论基础

§2.1 LED的热-电理论

§2.2 传热学和计算流体力学基本理论

§2.3 寿命预测基础理论

§2.4 本章小结

第三章 LED灯具的结温表征方法

§3.1 引言

§3.2 大功率LED灯具的仿真分析模型

§3.3 仿真分析的实验设置

§3.4 结果与讨论

§3.5 本章小结

第四章 基于LED灯具结温的快速寿命预测

§4.1 引言

§4.2 LED灯具热分析模型和实验设置

§4.3 分析结果与讨论

§4.4 本章小结

第五章 基于加速寿命试验的LED灯具寿命评估软件

§5.1 引言

§5.2 LED可靠性评估系统开发

§5.3 基于性能退化的加速试验

§5.4 试验结果分析

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 全文总结

§6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果