高亮度LED燈的主動液冷方式及優(yōu)化設計

相對于白熾燈光源，LED的封裝尺寸小，形式多樣以及優(yōu)異的性能近來廣泛應用在汽車外燈上，如白光LED用于汽車前照燈的應用開始被重視。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，但使其真正達到能應用在汽車前照燈的白光LED水平還處在起步階段。目前，應用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域。
目前LED燈應用在車輛領域中存在光度不夠，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燈需達到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準。
隨著對光通量輸出要求越來越高，LED的供電功率也會持續(xù)增加。LED封裝的散熱管理在車輛應用方面越來越需要關注，因為其散熱的好壞會嚴重影響LED的效率，性能及可靠性等方面。
如果二極管結溫過高，就會降低LED效率而且發(fā)射波長會發(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——從單個器件，封裝級，板級到系統(tǒng)級的熱分析。裸芯片（die） 發(fā)光LED已經進行商業(yè)方面的熱分析應用。熱分析模擬借助CFD（計算流體力學）方法對此類LED各個階段進行全方位的熱分析進而找出較合適的散熱方案。本文利用CFD軟件FloTHERM進行散熱優(yōu)化措施設計的研究。
2.主動式液冷方法的選擇
2.1 從器件到板級
以Cree XBright900型的LED為例。此LED是一個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 空間內產生460-470nm的波長，顏色為藍色。需要對每個LED散出的2.7W熱量進行散熱控制。此LED系統(tǒng)是由15個小LED以每3顆分布在5個電路板子上構成的。
為了簡化安裝過程，把每顆LED進行單獨封裝。進而使LED需要通過一層磷光質使GaN（氮化鎵）基LED把藍光轉化為白光（可見光）發(fā)射出去。產生的熱量直接通過器件耗散到封裝外殼上。故高導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體。LED到AIN陶瓷封裝底部之間的熱阻計算值小于2℃/W。
高亮度LED燈的主動液冷方式及優(yōu)化設計
高亮度LED燈的主動液冷方式及優(yōu)化設計
AIN陶瓷封裝安裝在一塊絕緣金屬基板上（IMS）（圖1）。IMS基板提供熱擴散和熱沉提供良好的熱通路進而大大簡化了此系統(tǒng)的設計。IMS由三層組成：銅箔回路層、薄的電介層以及鋁基板。
幾種材料構成介質層和IMS的三層不同厚度組合的結構進行熱分析方面比較發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的板子應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熱率很高的介質層以減少其熱阻，這些層的厚度由IMS制作工藝來決定。此文所選的IMS結構具體如下表所示：70μm銅層，75μm介電層導熱率為 2.2W/mK和1mm厚的鋁基板。
表1.IMS板結構和模型中的材料

2.2 系統(tǒng)級——空氣冷卻
應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。對于被動式冷卻，熱沉直接就安裝在IMS板的背面。在實際中，整個系統(tǒng)應放在前照燈的空腔里通過對流進行換熱。由于空腔尺寸有限，熱沉的尺寸收到了限制。如圖2 所示，LED的結溫遠遠超出其最大容許值125℃。

圖2. 被動式冷卻方案前照燈剖面溫度云圖（Tj=200℃）
主動式空氣冷卻也進行了研究。然而由于其內在的空間以及周圍件的約束采用較大數(shù)量的高速風扇是不可行的。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——被動式液冷
有兩種被動式液冷可以考慮：被動式封閉循環(huán)和熱管兩種方式。
模擬結果說明被動式封閉循環(huán)可以達到要求，可以使LED的結溫能維持在最大容許工作溫度下。然而被動式系統(tǒng)中液體驅動力是通過浮力來獲得的。因此，此系統(tǒng)需要一個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，但實際中此方法并不適合對前照燈進行冷卻，因為前照燈設計里要求熱交換器必須放著LED燈具的下面。
對于熱管冷卻的辦法，一個循環(huán)熱管系統(tǒng)只是一個系統(tǒng)內的熱量循環(huán)。然而，需要每一個LED板都需單獨裝上一套熱管系統(tǒng)進而大大增加了整個LED燈具冷卻系統(tǒng)的成本。靈活的熱管產品（ 如Thermotek，Dau）其價格每個大約在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)應用高亮LED所需的冷卻措施需要投向主動式冷卻辦法。
3.主動式冷卻
3.1 系統(tǒng)結構
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成封閉的回路系統(tǒng)。
鑒于每一個板子都要調整，故每個冷板需要單獨貼在每個相應的板子上。由于重量和體積的限制，以及遠光和近光不會同時開啟，故遠光和近光共同使用一個熱交換器。進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成?？紤]到熱特性和易用方面，冷卻系統(tǒng)采用的工質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。第一種方案是五個近光和遠光（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輸水軟管及連接部件。然而此方案使整個系統(tǒng)變得太復雜，因而不宜采用。

圖3 冷板和散熱器設計及軟管連接
第二種解決方案由同樣的5個LB-HB冷板回路構成，但是之間的鏈接用一個單循環(huán)構成。此循環(huán)路徑很長導致壓降很大。熱分析模擬結果表明回路的壓降值正好在泵壓頭一下，故不會對此冷卻系統(tǒng)造成散熱方面不利的影響。
最后，一個備選的方案推出，此液體方案是一個回路通過一系列近光燈（LB）冷板，然后通過一些列遠光燈（HB）冷板，最后經過散熱器（如圖4）。此設計的優(yōu)點是管子數(shù)量從17根減到14根，較少的管子數(shù)有利于兩種光單獨進行調整進而易于安裝。熱分析表明此方案中在整個回路里最后一個板子上的3個LED的結溫僅比第一方案中對應的結溫高5度。

圖4 主動式液冷裝置結構：液冷回路連接所有的LB冷板然后流入HB板進而流入散熱器
圖5是應用FloTHERM分析建立的三維仿真模型。

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

圖6 計算得到的LED結溫曲線（藍線）和IMS板溫度（紅色）
圖7 表明了名義流量和實際流量之間的關系。對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際流量。圖8所示回路中壓降和流量之間的關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）25kPa的關系。結果表明封閉的泵需要在合適的工作點范圍內運行才比較合理。

圖7 泵的名義流量和實際流量對比曲線

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
散熱器的設計取決于其外部的條件，如空氣流動的類型和工作環(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，因為流動方向不能選擇，故為了降低整體重量需要對散熱器的齒片形狀進行選擇。
散熱器外形優(yōu)化有很多參數(shù)需要考慮，如齒片長度，數(shù)量，基座厚度等。由于上述參數(shù)都會對LED溫度有影響，故需要迭代程序對一系列參數(shù)進行*估。下面是對系列參數(shù)的研究結論：
1）熱沉基座厚度（t）?；谄溥B接冷板下面進而把熱量傳遞到整個面積上，故基座厚度對LED溫度影響很小。為了減少熱沉重量，在機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）齒片長度（l）。計算最優(yōu)值是4.5mm。然而LED溫度對于齒片長度在最優(yōu)值附近波動的敏感度很小。根據(jù)模擬情況，其值在3.5-6mm之間變換時溫度波動小于1度。所以在上述范圍內齒片長度都是可以行的。
4） 齒片寬度（w）。計算最優(yōu)值是9mm。類似于齒長，齒寬在7.5-10mm之間變化時，溫度波動很小。
5）X方向齒數(shù)（Nx）。計算最優(yōu)值40個，及此方向齒間距5.1mm。從熱模擬結果看，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。經計算最優(yōu)值在為7個，其間距為4mm。7個以上也是可行的。
7）鋁質散熱器的最終優(yōu)化熱沉重量少于800克。

圖9 熱沉參數(shù)及三維尺寸
因為此系列優(yōu)化參數(shù)之間會互相影響（如齒長和齒寬），故在整個優(yōu)化過程中需要同時考慮這些因素。（見圖10）

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

圖11 LED溫度和齒數(shù)的關系（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)化結果
t=5，H》30，h》25， l=“4”.5，w=9，Nx=8，Ny=7
可微調的參數(shù)（結溫變化小于1度）
4. 結論
此文闡述了對于高亮度LED燈應用在創(chuàng)新型汽車前照燈時采取的主動液冷方式及其優(yōu)化。
文中說明了空氣冷去和被動液冷的方式要么不能滿足LED結溫最大容許溫度要么無法在實際中實現(xiàn)。雖然有的方法單從散熱分析的角度來看是可行的，但考慮到光學和機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前照燈設計進行全面考慮。
基于此主動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式液冷方案并進行了對比研究。散熱優(yōu)化還包括了液體流動優(yōu)化和熱沉優(yōu)化進而最大可能的提高其散熱性能。在整個優(yōu)化方案尋優(yōu)中，熱方面不是唯一考慮的因素，所有相關的方面都加以了考慮如工藝制造和產品具體要求等方面。
隨著高亮度白光LED的發(fā)展，將來對特定光的供電功率會進一步持續(xù)降低。因此熱耗散量也會降低。隨著對系統(tǒng)加電功率的降低和熱耗散量的減少，冷卻方式可能又會采用被動冷卻的方式。