大功率LED灯具散热器设计

摘要

大功率半导体(LED)照明的散热问题一直是阻碍其发展的瓶颈问题之一。为了解决这个难题，本课题提出了一种新型的灯具封装结构和一种复合式散热器，该散热器结合了金属导热快，聚合物易于制作复杂的表面微结构，增加散热面积等特点，提高了散热能力。本文研究内容如下:
　　 1.大功率LED球泡灯散热器设计。本文创新性的提出了一种新型的芯片和灯具的封装结构，采用金属芯片基柱与聚合物散热外壳的结构组合式换热器，减小了芯片与外壳连接的接触热阻，充分利用金属导热快，聚合物外壳散热快的特点，有效地解决了功率为3W和7W的LED球泡灯的散热问题。通过数值模拟对散热器结构进行了优化设计，仿真结果证明了其结构有效性。
　　 2.针对集成式大功率LED路灯的特点，设计了一种聚合物散热器，对翅片厚度、长度、高度等几何参数，以及表面辐射率和热导率对散热器性能的影响进行了研究，总结了各因素对散热性能影响的规律，并利用正交试验分析法进行了多因素研究，并得到了优化后的散热模型，经过数值模拟发现其能够满足100WLED路灯的散热要求，并具有成本低、轻便、抗腐蚀等优点。
　　 3.大功率电子器件的聚合物微通道板式散热器设计。该散热器创新性的采用聚合物与金属结合的形式，并采用宽度为0.3mm的微通道作为主要散热结构，该结构能够有效的增加相同外形尺寸的散热器的换热面积。通过优化设计分析了影响其散热效果的因素，并得到了优化结构。利用聚合物微注塑加工方法制作了散热器样品。
　　 4.对大功率芯片散热器测试试验系统设计。该系统可以提供稳定的冷却介质，可对实验中需要的数据进行测量、显示及储存，能够实现对LED芯片的控制。利用上述散热测试系统对所加工的散热器进行测试，结果显示该散热器具有很好的散热性能。
　　 本文的创新点有:
　　 1.提出了新型的灯具封装结构，采用芯片基柱与散热外壳连接的形式，有效的减少接触热阻，充分利用金属导热快，聚合物散热快的优点。
　　 2.提出了金属与聚合物复合式的微结构散热器，微结构大幅的增加了换热面积，金属有效的提高了导热速率，强化了散热能力。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 半导体固态照明技术

1．2 微尺度换热技术

1．3 课题的研究目的和意义

1．4 关键技术问题与本文研究内容

第二章 大功率LED芯片特性与微尺度散热技术

2．1 LED芯片的热学特性

2．1．1 LED芯片结温

2．1．2 大功率LED芯片的热学模型

2．1．3 大功率LED灯具热阻网络的建立和计算

2．2 微尺度下流动与传热理论基础

2．2．1 连续介质模型

2．2．2 分子运动模型

第三章 大功率LED球泡灯散热器设计

3．1 3W球泡灯模型建立

3．2 球泡灯模型结构优化

3．2．1 间距2．5mm的灯具模型

3．2．2 间距4mm的灯具模型

3．2．3 间距5mm的灯具模型

3．2．4 翅片表面带微结构的模型

3．2．5 7W LED球泡灯模型及优化设计

3．3 小结

第四章 大功率LED路灯散热器设计

4．1 基于LED路灯的单因素散热性能研究

4．1．1 无翅片时散热器的散热情况

4．1．2 翅片高度对散热效果的影响

4．1．3 翅片厚度对散热效果的影响

4．1．4 翅片长度对散热效果的影响

4．1．5 翅片间距对散热效果的影响

4．1．6 表面辐射率对散热性能的影响

4．1．7 导热率对散热效果的影响

4．2 基于LED路灯的多因素散热性能研究

4．2．1 LED路灯散热器自然对流模型设计

4．2．2 LED路灯散热器优化设计结果分析

4．3 小结

第五章 LED微型散热器实验研究

5．1 强制对流微型散热器散热性能研究

5．1．1 微散热器相关计算

5．1．2 微型散热器结构优化

5．2 LED灯具散热试验系统

5．2．1 LED灯具散热测试试验平台设计

5．2．2 LED灯具散热试验系统工作原理

5．2．3 散热实验平台的组装

5．2．4 实验步骤

5．3 微型塑料散热器测试实验

5．3．1 5W LED芯片微型散热器性能测试实验

5．3．2 7W LED芯片微型散热器性能测试实验

5．3．3 10W LED芯片微型散热器性能测试实验

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 本课题的工作总结

6．2 本文的不足及进一步的工作

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书