發(fā)布時(shí)間：2017-12-18 20:32

  本文關(guān)鍵詞：大功率LED散熱模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

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【摘要】：發(fā)光二極管(LED)是二十一世紀(jì)的新型綠色照明光源,具有環(huán)保節(jié)能、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),但是其電光轉(zhuǎn)換效率不高,80~90%的功率轉(zhuǎn)化為熱量散失掉,造成LED的結(jié)溫升高,進(jìn)而又影響其發(fā)光效率,因此研究高效散熱的LED具有重要的意義。本文以大功率LED為研究對(duì)象,采用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬研究,主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)建立了大功率LED純固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)傳熱模型,得出模擬的結(jié)溫是65.073℃,總熱阻是47.145℃/W;根據(jù)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型理論計(jì)算出LED的總熱阻是49.9℃/W,結(jié)溫是67.415℃;穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)溫比理論計(jì)算的結(jié)溫低2.342℃,約為3.47%,穩(wěn)態(tài)模擬的熱阻比理論計(jì)算的熱阻低2.755℃/W,約為5.52%。(2)建立了大功率LED基于空氣強(qiáng)迫冷卻、結(jié)構(gòu)傳熱以及結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的多場(chǎng)耦合模型;得出耦合模擬的結(jié)溫是65.114℃,總熱阻是47.19℃/W;耦合模擬的結(jié)溫比理論計(jì)算的結(jié)溫低2.301℃,約為3.41%,耦合模擬的總熱阻比理論計(jì)算的總熱阻低2.71℃/W,約為5.43%;耦合模擬得出GaN芯片上溫度最高,溫度最低的位置是透鏡的頂部;發(fā)生的最大總變形量是5.2529?10-3mm,熱應(yīng)變是8.8363?10-4mm/mm,GaN芯片上的最大等效馮米塞斯應(yīng)力是266.67MPa,鋁合金材料結(jié)構(gòu)的最大等效馮米塞斯應(yīng)力是40MPa左右。(3)對(duì)大功率LED進(jìn)行基于耦合模擬的影響因素分析,分別研究了進(jìn)口風(fēng)速、進(jìn)口半徑、基板厚度、翅片高度、鍵合材料、基板面材料、翅片開(kāi)縫7個(gè)因素對(duì)LED散熱性能的影響,得出:1)LED的結(jié)溫、總變形量、等效彈性應(yīng)變、熱應(yīng)變、等效馮米塞斯應(yīng)力、應(yīng)變能均隨進(jìn)口風(fēng)速(1~8m/s)、進(jìn)口半徑(1~7mm)、翅片高度(4~22mm)和開(kāi)縫翅片數(shù)目(4?1、4?2、4?3)的提高逐漸降低;2)LED的結(jié)溫隨基板厚度(0.5~3.0mm)的增加逐漸降低,后趨于平緩;總變形量隨基板厚度的增加先減小后逐漸增大;等效彈性應(yīng)變、等效馮米塞斯應(yīng)力隨基板厚度的增加先迅速增大,微小變化后逐漸減小;熱應(yīng)變和應(yīng)變能隨基板厚度的增加而逐漸減小;3)LED的結(jié)溫、等效彈性應(yīng)變、熱應(yīng)變以及等效馮米塞斯應(yīng)力隨鍵合材料的影響:Au80Sn20Pb40Sn60;總變形和應(yīng)變能隨鍵合材料的影響:Au80Sn20Pb40Sn60;4)LED的結(jié)溫、熱應(yīng)變隨基板面材料的影響:鋁合金碳化硅銅;總變形量、應(yīng)變能隨基板面材料的影響:碳化硅鋁合金銅;等效彈性應(yīng)變、等效馮米塞斯應(yīng)力隨基板面材料的影響:鋁合金銅碳化硅。(4)基于耦合模擬,對(duì)大功率LED的多個(gè)設(shè)計(jì)變量(進(jìn)口風(fēng)速、進(jìn)口半徑、基板厚度、翅片高度)進(jìn)行基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化研究,優(yōu)化前進(jìn)口風(fēng)速是4m/s、進(jìn)口半徑是5mm、基板厚度是1mm、翅片高度是5mm,優(yōu)化后進(jìn)口風(fēng)速是4.7067m/s、進(jìn)口半徑是5.8511mm、基板厚度是1.1412mm、翅片高度是22.498mm;優(yōu)化前大功率LED的結(jié)溫是65.114℃,總熱阻是47.19℃/W,GaN芯片上的等效馮米塞斯應(yīng)力是266.67MPa,優(yōu)化后的結(jié)溫是37.913℃,總熱阻是15.19℃/W,等效馮米塞斯應(yīng)力是76.79Mpa;優(yōu)化后的結(jié)溫較優(yōu)化前降低了27.201℃,約為41.77%,總熱阻降低了32℃/W,約為67.81%,芯片上的等效馮米塞斯應(yīng)力降低了189.88MPa,約為71.20%,優(yōu)化后大功率LED的散熱效果顯著增強(qiáng),結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力更小,可靠性更高。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN312.8

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