摘 要：LED是替代传统光源的第四代光源，但是其发光效率低、发热量大，所以散热对大功率LED十分重要。对一款LED航空灯具进行散热结构设计时需通过内部散热设计和外部散热设计两部分实现。建立LED航空灯具的三维模型，并通过热流分析软件FloEFD对其进行热分析，得到散热器结构尺寸对散热性能的影响情况。应用此结构可以有效降低LED芯片结温，达到了对该款航空灯具的散热要求。

关键词：LED;散热;热仿真

中图分类号：TN312.8 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）13-0081-02

本文的主要内容是灯具的结构部分的设计，难点在于在有限的体积内，既要满足适合航空器材的轻量化要求，又要达到LED灯具合适的散热效果。

1散热设计

LED不同于传统光源的灯具，LED芯片的发光光谱中不包含红外部分，所以LED产生的热量无法通过热辐射释放，只能靠热传导释放热量。而且LED芯片的体积相对较小，如果不及时散热，芯片温度将迅速上升，芯片中就会发生热应力分布不均匀的现象，以至于影响LED芯片的使用寿命。并且高温还会降低LED芯片的光电转换效率，使更多的电能转换成热能。据统计，当LED芯片的温度高到一定值以后，芯片的失效率将显著增加，一般成指数规律。元件温度每上升2℃，可靠性下降10%[1]。PN结的温度在比较低的区间时，LED芯片的亮度基本没有变化或者变化量非常微小，但是只要PN结的温度升高到一定范围后，LED芯片的亮度就会持续的下降，甚至可以超过35%[2]。

提升LED灯具散热效率的方法有两种：减少发热和加速散热。前者的原理是将LED芯片的光电转换效率提高，使转换成光能的电能更多，以实现降低光源的发热量的目的，从而使PN结的结温降低。这个方法可以从源头上减少LED的发热量，但从目前的LED芯片封装工艺技术层面来说很难实现或者实现的成本非常高。另一种方法是对LED芯片的散热渠道进行改进从而提高散热效率，创造合理的散热渠道能迅速释放出光源所产生的热量，从而使PN结的结温降低。针对产生的热量在设计散热通道的结构时，散热器是一个非常重要的部分，而且对散热器的研究设计相对于研究减少LED芯片的发热量来说，比较方便可行。

为使LED光源芯片的热量能够快速的传导到铝材外壳上，光源铝基板采用热电分离工艺[3]、外露铜箔镀金处理，使热量能够快速传导，热电分离工艺，即LED贴片光源的热传导部分和正負电极金属分离状态，通过在金属基板上将对应贴片光源发热部分的金属上浮使其紧密贴合，能够实现热量的快速传导。并在光源板与铝材外壳间衬垫超薄石墨导热片，其导热系数为151W/mK，是导热硅脂的近30倍，可以将光源板上的温度快速传导到铝材外壳上。

LED灯具的散热形式有两种：主动式散热和被动式散热。根据散热器上热量的散出方式不同，主动式散热是通过加入散热设备（如风扇等）将LED芯片产生的热量从灯具的散热器上强制带走的方式，目前主动式散热有风冷散热、热管散热、液冷散热等。被动式散热主要是依靠空气自然对流将热量带走的方式。

被动散热不需要其他辅助散热方法。该散热方法可以方便、有机地与LED灯具的机械结构设计相结合，容易满足灯具使用环境的防护要求，无其他能耗，设计成本低，简单易行，环境适应性强。目前在大功率LED灯具的生产中，被动散热仍然是主要的散热方式。

在LED散热设计中，鳍片散热器由于结构简单、加工方便、散热效果好而得到了广泛的应用。它由鳍片和基座构成，主要的几何参数包括鳍片长、鳍片厚、鳍片数、基座厚、基座宽等。考虑到本文研究的LED灯具应用环境，对于本文中灯具来说，为了配合有限的体积，达到结构简化、重量较轻、适合航空器材的要求的目的，灯具的外部散热方式为被动散热方式，在壳体上直接做出散热鳍片型散热器作为研究对象，对功率型LED灯具热性能进行数值分析和优化设计。

根据要求，在有限的体积中要有良好的散热功能，还要满足环境适应性中的要求，设计产品为以下形式。

如图1所示，灯具整体采用螺钉加固方式，通过螺钉将灯具的压盖和灯具的壳体牢固连接，螺钉采用螺纹胶进行密封处理。压盖和玻璃盖之间采用打密封胶进行密封处理，透镜通过螺钉固定在，灯具和上盖之间采用耐热性能及密封性能好的密封圈进行挤压密封，光源组件和电源组件均用螺钉固定在壳体上。

2 仿真验证

FloEFD是一款通用的流体动力学软件，是一款无缝集成嵌入三维机械CAD环境中高度工程化的通用流体传热分析软件，真正实现了仿真分析流程与设计流程的无缝结合，成为从事于流动、换热相关产品开发/设计工程师的高效工具，具有操作简单、应用性广的特点。本文使用FloEFD对灯具进行散热模拟分析[4]。

两种模式的散热仿真结果见图2。

3结论

从散热仿真的结果可以看出，滑行模式下灯具温度的最高点为84.56℃，着陆模式下灯具温度的最高点为85.69℃，均在合理的LED工作温度区间内，说明灯具的两种模式在当前的功率下，散热器的散热能力达到了LED芯片的散热需求并且还可以有提高LED芯片功率的空间，此结构的设计满足该灯具对散热的需求。

参考文献

[1] 霍永涛.光伏电能在城市路灯照明中的应用设计[D].太原：太原理工大学，2010.

[2] 李鹏.LED灯具的热分析与散热设计[J].中国照明电器，2008

（12）：17-19.

[3] 秦典成，梁可为，陈爱兵.热电分离式铜基板的制备及其在LED散热领域的应用[J].半导体光电，2018（4）：544-548.

[4] 李波，陈文鑫.FloEFD流动与传热仿真入门及案例分析[M].北京：机械工业出版社，2015.

Abstract：LED is the fourth-generation light source to replace the traditional light source， but its luminous efficiency is low and the heat is large， so heat dissipation is very important for high-power LEDs. The heat dissipation structure design of an LED aviation lamp is realized through two parts： internal heat dissipation design and external heat dissipation design. The three-dimensional model of LED aviation lamps is established， and the thermal analysis is carried out on the heat flow analysis software FloEFD， and the influence of the radiator structure size on the heat dissipation performance is obtained. The application of this structure can effectively reduce the junction temperature of the LED chip，which meets the heat dissipation requirements of the aviation lamp.

Key words：LED;heat dissipation;thermal simulation

收稿日期：2020-05-22

作者简介：翟晨（1986—），男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，研究方向：机械。