大功率集成封装白光LED的散热及响应面优化设计的研究-机械电子工程专业论文.docx

摘 要 LED 作为新一代电光源，具有发光效率高、功耗低、寿命长、响应时间短、色 温范围宽和环保等优点，目前已应用于通用照明、景观照明、舞台照明、汽车照明、 交通信号、背光源、显示屏、指示灯和相机闪光灯等方面，并将在医疗、信息、农业、 航空和航天等领域发挥重要的作用。要使 LED 大规模地应用于机场和体育场等特殊 场所，光通量必须达到几千甚至上万流明，大功率集成封装白光 LED 可以满足这一 要求。然而，散热问题依然是制约它发展的主要瓶颈。本文主要针对 100 W 的大功 率集成封装白光 LED 的散热问题，展开了以下研究： （1）在常用的大功率 LED 散热方式的基础上，根据大功率集成封装白光 LED 的特点，提出了均温基板结合太阳花散热器的新型散热方式。其特点在于：均温基板 是采用均温板取代传统 MCPCB 中的金属基体；太阳花散热器是以发热体为中心向周 围及向上散发热量的散热体结构。 （2）利用APDL和UIDL两种语言对Mechanical APDL (ANSYS)平台进行了二次 开发，一个热分析模块嵌入到了ANSYS主菜单里。采用这个模块分别对基于均温基 板和MCPCB结合太阳花散热器的100 W的大功率集成封装白光LED进行了热分析，并 进行了对比。 （3）为了延长LED的寿命以及进一步达到节能减排的目的，LED工作时，在保 证所需光通量的前提下，选择适当的驱动电流是必要的。本文对1 W InGaN/GaN白光 LED灯珠样品进行了光及热特性测试，研究了驱动电流对LED光通量、发光效率和结 温的影响。 （4）利用优化设计软件OPTIMUS将ANSYS的计算过程集成起来，对基于均温 基板结合太阳花散热器的100 W的大功率集成封装白光LED进行了响应面优化设计。 其中试验设计采用Box-Behnken法；试验设计的样本点采用基于二阶泰勒多项式的最 小二乘响应面模型来拟合，确定了主要设计参数；优化算法采用非线性二次规划算法， 确定了最优散热结构。 研究结果表明：第一，相比MCPCB，均温基板提高了大功率集成封装白光LED 芯片的均温性，避免了局部热点，从而提高了它的可靠性、保证了它的寿命。第二， 对于1 W LED样品，驱动电流控制在315 mA左右较合理。在这个电流下，光通量不但 可以保证，而且发光效率比较高、结温比较低。对于本文设计的100 W的大功率集成 封装白光LED而言，在保证照明要求的前提下，选择合适的驱动电流更是必要的，它 可以延长LED的寿命以及进一步达到节能减排的目的。第三，太阳花散热器的高度H 为主要设计参数；当均温基板的长度L为60 mm，均温基板蒸汽腔的厚度T1为1 mm， 太阳花散热器翅片的厚度T2为1.5 mm，太阳花散热器的高度H为60 mm时，LED结温 最低，为56.3 °C。 本文的研究成果将为大功率集成封装白光LED提供一种切实可行的热设计方案， 为进一步进行大功率LED的散热研究及优化设计提供理论依据和技术支持。 关键词：LED；集成封装；均温基板；Box-Behnken试验设计；最小二乘响应面模型； 非线性二次规划算法 Abstract As a new generation of electrical light source, Light Emitting Diode (LED) possesses such advantages as high luminous efficiency, low power consumption, long life time, short response time, wide color temperature range, being eco-friendly and etc. At present, it has been used in many applications, including general lighting, landscape lighting, stage lighting, automotive lighting, traffic signal, backlight, display, indicator, flash function for camera and etc. It will play an important role in many fields, such as health care, information, agriculture, aviation, aerospace and etc. To make LED be large-scale used in some special occasions such as airport and stadium, the l