高亮度LED燈的主動(dòng)液冷方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)

相對(duì)于白熾燈光源，LED的封裝尺寸小，形式多樣以及優(yōu)異的性能近來廣泛應(yīng)用在汽車外燈上，如白光LED用于汽車前照燈的應(yīng)用開始被重視。盡管LED燈以其優(yōu)良的性能使其在汽車前照燈越來越有發(fā)展前景，但使其真正達(dá)到能應(yīng)用在汽車前照燈的白光LED水平還處在起步階段。目前，應(yīng)用LED在汽車前照燈只是在一些概念車上，還沒有推廣普及到民用汽車領(lǐng)域。
目前LED燈應(yīng)用在車輛領(lǐng)域中存在光度不夠，高成本等有待解決的問題。條文規(guī)定車輛前燈亮度要求每個(gè)燈需達(dá)到750lm， 而目前高亮LED等一般平均輸出僅40lm/W，故需更多數(shù)量的LED和更高的供電功率使其滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。
隨著對(duì)光通量輸出要求越來越高，LED的供電功率也會(huì)持續(xù)增加。LED封裝的散熱管理在車輛應(yīng)用方面越來越需要關(guān)注，因?yàn)槠渖岬暮脡臅?huì)嚴(yán)重影響LED的效率，性能及可靠性等方面。
如果二極管結(jié)溫過高，就會(huì)降低LED效率而且發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。因此LED工作溫度必須在其最大容許工作溫度（125℃）以下，才能使其效率最佳發(fā)光顏色偏差不大。所以散熱措施采用必須是全方位，全階段的——從單個(gè)器件，封裝級(jí)，板級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的熱分析。裸芯片（die） 發(fā)光LED已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)方面的熱分析應(yīng)用。熱分析模擬借助CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法對(duì)此類LED各個(gè)階段進(jìn)行全方位的熱分析進(jìn)而找出較合適的散熱方案。本文利用CFD軟件FloTHERM進(jìn)行散熱優(yōu)化措施設(shè)計(jì)的研究。
2.主動(dòng)式液冷方法的選擇
2.1 從器件到板級(jí)
以Cree XBright900型的LED為例。此LED是一個(gè)900*900 微米大小的芯片作為商用的裸芯片（die）提供。此LED在2.5nm 空間內(nèi)產(chǎn)生460-470nm的波長(zhǎng)，顏色為藍(lán)色。需要對(duì)每個(gè)LED散出的2.7W熱量進(jìn)行散熱控制。此LED系統(tǒng)是由15個(gè)小LED以每3顆分布在5個(gè)電路板子上構(gòu)成的。
為了簡(jiǎn)化安裝過程，把每顆LED進(jìn)行單獨(dú)封裝。進(jìn)而使LED需要通過一層磷光質(zhì)使GaN（氮化鎵）基LED把藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光（可見光）發(fā)射出去。產(chǎn)生的熱量直接通過器件耗散到封裝外殼上。故高導(dǎo)熱率的陶瓷片需要選擇以提供較小的熱阻路徑和較好的電絕緣性。AIN陶瓷材料（K=200W/mK）非常適合作為大功率下熱耗散的良導(dǎo)體。LED到AIN陶瓷封裝底部之間的熱阻計(jì)算值小于2℃/W。
高亮度LED燈的主動(dòng)液冷方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)
高亮度LED燈的主動(dòng)液冷方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)
AIN陶瓷封裝安裝在一塊絕緣金屬基板上（IMS）（圖1）。IMS基板提供熱擴(kuò)散和熱沉提供良好的熱通路進(jìn)而大大簡(jiǎn)化了此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。IMS由三層組成：銅箔回路層、薄的電介層以及鋁基板。
幾種材料構(gòu)成介質(zhì)層和IMS的三層不同厚度組合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析方面比較發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的板子應(yīng)該是較厚的回路層以較快速率傳遞熱量加上一層很薄的且導(dǎo)熱率很高的介質(zhì)層以減少其熱阻，這些層的厚度由IMS制作工藝來決定。此文所選的IMS結(jié)構(gòu)具體如下表所示：70μm銅層，75μm介電層導(dǎo)熱率為 2.2W/mK和1mm厚的鋁基板。
表1.IMS板結(jié)構(gòu)和模型中的材料

2.2 系統(tǒng)級(jí)——空氣冷卻
應(yīng)用汽車前照燈要求光必須是向前照。為此需要把IMS板安放在前照燈組件后面的45度面處。對(duì)于被動(dòng)式冷卻，熱沉直接就安裝在IMS板的背面。在實(shí)際中，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)放在前照燈的空腔里通過對(duì)流進(jìn)行換熱。由于空腔尺寸有限，熱沉的尺寸收到了限制。如圖2 所示，LED的結(jié)溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其最大容許值125℃。

圖2. 被動(dòng)式冷卻方案前照燈剖面溫度云圖（Tj=200℃）
主動(dòng)式空氣冷卻也進(jìn)行了研究。然而由于其內(nèi)在的空間以及周圍件的約束采用較大數(shù)量的高速風(fēng)扇是不可行的。從其可靠性，成本及加工方面考慮都是行不通的。綜上所述，液冷措施被確定為下一步研究方向。
2.3 系統(tǒng)級(jí)——被動(dòng)式液冷
有兩種被動(dòng)式液冷可以考慮：被動(dòng)式封閉循環(huán)和熱管兩種方式。
模擬結(jié)果說明被動(dòng)式封閉循環(huán)可以達(dá)到要求，可以使LED的結(jié)溫能維持在最大容許工作溫度下。然而被動(dòng)式系統(tǒng)中液體驅(qū)動(dòng)力是通過浮力來獲得的。因此，此系統(tǒng)需要一個(gè)熱交換器放在熱源上，里面形成的較熱、較輕液體（如水）將上行抵抗重力被冷卻。雖然從熱的角度看是可行的，但實(shí)際中此方法并不適合對(duì)前照燈進(jìn)行冷卻，因?yàn)榍罢諢粼O(shè)計(jì)里要求熱交換器必須放著LED燈具的下面。
對(duì)于熱管冷卻的辦法，一個(gè)循環(huán)熱管系統(tǒng)只是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的熱量循環(huán)。然而，需要每一個(gè)LED板都需單獨(dú)裝上一套熱管系統(tǒng)進(jìn)而大大增加了整個(gè)LED燈具冷卻系統(tǒng)的成本。靈活的熱管產(chǎn)品（ 如Thermotek，Dau）其價(jià)格每個(gè)大約在1000$。況且，即使單從散熱分析的角度考性可行，但由于其工程難度和成本方面看，采用熱管方式冷卻也是不可行的。
綜上所述，解決汽車行業(yè)應(yīng)用高亮LED所需的冷卻措施需要投向主動(dòng)式冷卻辦法。
3.主動(dòng)式冷卻
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
液冷系統(tǒng)包括如下：泵，連接熱源（IMS板）的冷板，蓄水池和熱交換器。它們之間用管子連接構(gòu)成封閉的回路系統(tǒng)。
鑒于每一個(gè)板子都要調(diào)整，故每個(gè)冷板需要單獨(dú)貼在每個(gè)相應(yīng)的板子上。由于重量和體積的限制，以及遠(yuǎn)光和近光不會(huì)同時(shí)開啟，故遠(yuǎn)光和近光共同使用一個(gè)熱交換器。進(jìn)而可以用加倍體積的換熱器帶走更多的熱量。換熱器是由熱沉及底部液冷盤管構(gòu)成?？紤]到熱特性和易用方面，冷卻系統(tǒng)采用的工質(zhì)主要是用增添添加劑的水（添加劑如：防凍液，乙二醇，抗藻及抗菌劑等。）
有幾種組合方案可以考慮。為了降低對(duì)泵的損壞和提高其可靠性，故泵的液冷部分是可見的。第一種方案是五個(gè)近光和遠(yuǎn)光（LB-HB）循環(huán)系統(tǒng)平行放置（圖三）。從理想的熱分析角度去看，需要兩套岐管加上兩個(gè)輸水軟管及連接部件。然而此方案使整個(gè)系統(tǒng)變得太復(fù)雜，因而不宜采用。

圖3 冷板和散熱器設(shè)計(jì)及軟管連接
第二種解決方案由同樣的5個(gè)LB-HB冷板回路構(gòu)成，但是之間的鏈接用一個(gè)單循環(huán)構(gòu)成。此循環(huán)路徑很長(zhǎng)導(dǎo)致壓降很大。熱分析模擬結(jié)果表明回路的壓降值正好在泵壓頭一下，故不會(huì)對(duì)此冷卻系統(tǒng)造成散熱方面不利的影響。
最后，一個(gè)備選的方案推出，此液體方案是一個(gè)回路通過一系列近光燈（LB）冷板，然后通過一些列遠(yuǎn)光燈（HB）冷板，最后經(jīng)過散熱器（如圖4）。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是管子數(shù)量從17根減到14根，較少的管子數(shù)有利于兩種光單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而易于安裝。熱分析表明此方案中在整個(gè)回路里最后一個(gè)板子上的3個(gè)LED的結(jié)溫僅比第一方案中對(duì)應(yīng)的結(jié)溫高5度。

圖4 主動(dòng)式液冷裝置結(jié)構(gòu)：液冷回路連接所有的LB冷板然后流入HB板進(jìn)而流入散熱器
圖5是應(yīng)用FloTHERM分析建立的三維仿真模型。

圖5 在前照燈空間內(nèi)完整的近光燈系統(tǒng)的主動(dòng)式液冷全模型
3.2 散熱優(yōu)化
3.2.1 液體流動(dòng)優(yōu)化
圖6所示在泵的名義流量變化下（壓降為0）模擬計(jì)算的LED溫度的變化曲線。隨著泵名義流量的增加，LED結(jié)溫逐漸下降。然而，當(dāng)流速高于0.12 l/s后，結(jié)溫變化不顯著。

圖6 計(jì)算得到的LED結(jié)溫曲線（藍(lán)線）和IMS板溫度（紅色）
圖7 表明了名義流量和實(shí)際流量之間的關(guān)系。對(duì)于較低的名義流量下流體的壓降變化很小，然而隨著流量增加液體回路的壓降限制了實(shí)際流量。圖8所示回路中壓降和流量之間的關(guān)系和泵的線性特征在名義流量0.12l/s 和名義壓頭（無流量時(shí)）25kPa的關(guān)系。結(jié)果表明封閉的泵需要在合適的工作點(diǎn)范圍內(nèi)運(yùn)行才比較合理。

圖7 泵的名義流量和實(shí)際流量對(duì)比曲線

圖8 液冷式回路和泵的線性特性組成的壓力和流量特征線
3.2.2 熱交換器（熱沉）的優(yōu)化
散熱器的設(shè)計(jì)取決于其外部的條件，如空氣流動(dòng)的類型和工作環(huán)境，這些都決定了器件的擺放位置及空氣流速。在本例中，熱沉被水平放置，因?yàn)榱鲃?dòng)方向不能選擇，故為了降低整體重量需要對(duì)散熱器的齒片形狀進(jìn)行選擇。
散熱器外形優(yōu)化有很多參數(shù)需要考慮，如齒片長(zhǎng)度，數(shù)量，基座厚度等。由于上述參數(shù)都會(huì)對(duì)LED溫度有影響，故需要迭代程序?qū)σ幌盗袇?shù)進(jìn)行*估。下面是對(duì)系列參數(shù)的研究結(jié)論：
1）熱沉基座厚度（t）。基于其連接冷板下面進(jìn)而把熱量傳遞到整個(gè)面積上，故基座厚度對(duì)LED溫度影響很小。為了減少熱沉重量，在機(jī)械方面容許的情況下盡可能減少厚度。確定選擇厚度為5mm。
2）熱沉高度（H）。 熱沉的整體高度等于基座厚度（t）加上齒高（h）。齒高大小事此優(yōu)化中最重要的參數(shù)。盡量的采取較高的尺寸，但注意不能遮擋光的限制。
3）齒片長(zhǎng)度（l）。計(jì)算最優(yōu)值是4.5mm。然而LED溫度對(duì)于齒片長(zhǎng)度在最優(yōu)值附近波動(dòng)的敏感度很小。根據(jù)模擬情況，其值在3.5-6mm之間變換時(shí)溫度波動(dòng)小于1度。所以在上述范圍內(nèi)齒片長(zhǎng)度都是可以行的。
4） 齒片寬度（w）。計(jì)算最優(yōu)值是9mm。類似于齒長(zhǎng)，齒寬在7.5-10mm之間變化時(shí)，溫度波動(dòng)很小。
5）X方向齒數(shù)（Nx）。計(jì)算最優(yōu)值40個(gè)，及此方向齒間距5.1mm。從熱模擬結(jié)果看，此算例中X方向的齒數(shù)在35-45之間變換。
6）Y方向齒數(shù)（Ny）。由于前照燈空間的限制，在最寬的邊上放盡可能多的齒，最窄邊放較少的數(shù)量。經(jīng)計(jì)算最優(yōu)值在為7個(gè)，其間距為4mm。7個(gè)以上也是可行的。
7）鋁質(zhì)散熱器的最終優(yōu)化熱沉重量少于800克。

圖9 熱沉參數(shù)及三維尺寸
因?yàn)榇讼盗袃?yōu)化參數(shù)之間會(huì)互相影響（如齒長(zhǎng)和齒寬），故在整個(gè)優(yōu)化過程中需要同時(shí)考慮這些因素。（見圖10）

圖10 齒長(zhǎng)和齒寬相互變化時(shí)LED溫度的變化A）3D視圖B）剖面圖
其它參數(shù)（如齒數(shù)）是獨(dú)立參數(shù)，可以單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化（如圖11）。

圖11 LED溫度和齒數(shù)的關(guān)系（X方向：深蘭色；Y方向：粉色）
總之，優(yōu)化后的熱沉尺寸如下所示（單位：mm）

優(yōu)化結(jié)果
t=5，H》30，h》25， l=“4”.5，w=9，Nx=8，Ny=7
可微調(diào)的參數(shù)（結(jié)溫變化小于1度）
4. 結(jié)論
此文闡述了對(duì)于高亮度LED燈應(yīng)用在創(chuàng)新型汽車前照燈時(shí)采取的主動(dòng)液冷方式及其優(yōu)化。
文中說明了空氣冷去和被動(dòng)液冷的方式要么不能滿足LED結(jié)溫最大容許溫度要么無法在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。雖然有的方法單從散熱分析的角度來看是可行的，但考慮到光學(xué)和機(jī)械方面又不能滿足要求。因此為了找到合適的散熱管理方法需要對(duì)前照燈設(shè)計(jì)進(jìn)行全面考慮。
基于此主動(dòng)式液冷方式被確定為最適合的優(yōu)化方案。此文闡述了幾種不同的主動(dòng)式液冷方案并進(jìn)行了對(duì)比研究。散熱優(yōu)化還包括了液體流動(dòng)優(yōu)化和熱沉優(yōu)化進(jìn)而最大可能的提高其散熱性能。在整個(gè)優(yōu)化方案尋優(yōu)中，熱方面不是唯一考慮的因素，所有相關(guān)的方面都加以了考慮如工藝制造和產(chǎn)品具體要求等方面。
隨著高亮度白光LED的發(fā)展，將來對(duì)特定光的供電功率會(huì)進(jìn)一步持續(xù)降低。因此熱耗散量也會(huì)降低。隨著對(duì)系統(tǒng)加電功率的降低和熱耗散量的減少，冷卻方式可能又會(huì)采用被動(dòng)冷卻的方式。