線-網(wǎng)電極離子風(fēng)強化LED散熱的試驗研究*

李慧霞，蔡憶昔，王 靜，包偉偉

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

線-網(wǎng)電極離子風(fēng)強化LED散熱的試驗研究*

李慧霞，蔡憶昔*，王 靜，包偉偉

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

針對功率型LED芯片傳統(tǒng)散熱方案能耗高、散熱效率低的缺陷，設(shè)計了一種線-網(wǎng)電極離子風(fēng)發(fā)生器，并通過試驗研究其工作性能。以LED芯片的引腳溫度和離子風(fēng)風(fēng)速為目標(biāo)參量，探尋發(fā)生器在不同線電極數(shù)、放電間距及電源極性時的散熱系統(tǒng)的工作特性.結(jié)果表明：發(fā)生器采用8線電極形式，放電間距為10 mm，電暈電流為0.3 mA時，散熱效果最佳，系統(tǒng)功耗較低；相同電壓下，負(fù)電暈放電時產(chǎn)生的離子風(fēng)速高于正電暈放電；與自然對流方式相比，LED芯片引腳溫度最大降幅為36℃，散熱效果較為明顯.

強化傳熱；離子風(fēng)；電暈放電；大功率LED；結(jié)溫

LED作為新一代照明光源，具有能耗低、壽命長、響應(yīng)快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但散熱問題一直是限制其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的難題。LED芯片尺寸較小，其輸入功率的70%～80%會轉(zhuǎn)化為熱量，使得其熱流密度很高，在工作過程中芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不斷堆積，芯片結(jié)溫上升。過高的芯片結(jié)溫會改變LED的色溫、降低其發(fā)光強度和使用壽命，嚴(yán)重影響LED的工作性能［1-2］。因此，解決LED芯片的散熱問題直接影響著LED向多領(lǐng)域、深層次發(fā)展的進(jìn)程。

基于電暈放電原理的離子風(fēng)散熱技術(shù)具有散熱效率高、無運動部件、無噪聲等優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對離子風(fēng)散熱進(jìn)行了大量的研究。臺灣的黃政德等［3］提出運用離子風(fēng)技術(shù)對小功率LED進(jìn)行散熱；David B Go［4］等的研究結(jié)果表明，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可在使用離子風(fēng)后提高近2倍；Chau［5］對產(chǎn)生離子風(fēng)的電極形式、電極間距等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為離子風(fēng)散熱技術(shù)的推廣應(yīng)用作出了極大的貢獻(xiàn)；Ing Youn Chen［6］等研究了不同輸入?yún)?shù)下，離子風(fēng)發(fā)生器對小功率LED散熱性能的影響；袁均祥［7］等人提出，采用曲率半徑小的發(fā)射電極和金屬網(wǎng)接地電極可以得到較高的離子風(fēng)速；趙矗［8］等人通過實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相對比的方法研究了幾種散熱形式下對流換熱系數(shù)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的散熱方式相比，空氣放電的換熱效果明顯增強；包偉偉等［9］對“針-網(wǎng)”結(jié)構(gòu)離子風(fēng)發(fā)生器在電暈放電過程中的電學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，并將這一研究應(yīng)用于功率型LED芯片散熱，效果較為明顯。

本研究采用一組大功率LED芯片作為試驗對象，設(shè)計了一種“線—網(wǎng)”式離子風(fēng)發(fā)生器為工作過程中的LED芯片散熱，并探尋了電極形式、放電間距以及輸入電流等因素對散熱效果的影響，為大功率LED散熱方案的選擇與優(yōu)化提供新技術(shù)，也為離子風(fēng)散熱技術(shù)的發(fā)展提供依據(jù)。

1 電暈放電機理及裝置

1.1 電暈放電機理

電暈放電是指一對電極在外加高電壓作用下，曲率半徑較小的電極附近產(chǎn)生很高的電場強度，從而引起一系列“電子雪崩”的現(xiàn)象。電暈風(fēng)也稱為離子風(fēng)，電暈放電產(chǎn)生離子風(fēng)的實質(zhì)就是外加高壓使得離子風(fēng)發(fā)射極和接地極之間的空氣發(fā)生電離，電離后帶電的空氣分子在電場力作用下會向接地極運動，運動過程中撞擊其他未電離的空氣分子，使其向相同方向運動，從而產(chǎn)生離子風(fēng)［10-12］。電子雪崩過程與氣體電離電位以及電暈極附近的電場強度有關(guān)，即產(chǎn)生“電子雪崩”的電子，其能量應(yīng)當(dāng)不小于它所碰撞的氣體分子，否則，碰撞電離無法實現(xiàn)。在碰撞電離過程中，電子移動所產(chǎn)生的電子增量表示如式（1）所示：

式中，dn為電子增量；n為電子濃度；dx為移動距離；α為湯森第一電離系數(shù)，是電場強度和氣體密度的函數(shù)，電場強度越大、氣體密度越小，α就越大。

將式（1）積分，得到式（2），式中n0表示x=0時的自由電子數(shù)。在式（2）兩端同乘電子的電荷e，即可得到電流的表達(dá)式（3）。假設(shè)電暈區(qū)半徑為d，則從電暈區(qū)流出的電流強度可以用式（4）表示。

由式（4）可見，從電暈區(qū)流出的電流強度大小與電暈區(qū)的半徑d和湯森第一電離系數(shù)α密切相關(guān)。而電暈極附近電場強度越大，d和α就越大，即電暈電流強度就越大［13］。

1.2 散熱裝置及原理

試驗所用散熱系統(tǒng)如圖1所示，主要由電暈風(fēng)發(fā)生裝置、散熱翅片和LED光源3部分組成。

電暈風(fēng)發(fā)生裝置由發(fā)射極和接地極組成，發(fā)射極一般有線狀電極和針狀電極兩種，本次研究中采用線電極作為離子風(fēng)發(fā)射極，在線的直徑足夠小的情況下，線電極也較容易滿足電離條件，試驗中對不同線數(shù)線電極構(gòu)成的發(fā)生器性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。散熱裝置的另一重要組成部分是散熱翅片，由于LED芯片固定在翅片的基板部分，因此翅片主要起到快速導(dǎo)熱的作用，盡可能減少芯片內(nèi)部熱量的堆積。

圖1 散熱裝置示意圖

試驗研究對象是一組模擬汽車前照燈光源的LED芯片，因此在芯片的選擇上除了要符合國家標(biāo)準(zhǔn)對汽車前照燈LED光源的規(guī)定外，還要滿足汽車前照燈特定的工作電流以及色溫等要求［14］。綜合考慮后選擇型號為LAFL-C4S-0850的PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，如圖2所示。

圖2 LED芯片

2 試驗及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 溫度采集系統(tǒng)

對于試驗中LED芯片結(jié)溫的測量，目前普遍采用間接測量法，這一方法是基于LED芯片結(jié)溫與其引腳之間的對應(yīng)關(guān)系而得到的，即通過測量芯片引腳溫度來間接計算芯片的結(jié)溫。LED芯片組固定于鋁基板上，基板與散熱翅片相連，試驗過程中LED芯片產(chǎn)生的熱量通過鋁基板傳遞到翅片，由離子風(fēng)散熱裝置產(chǎn)生的離子風(fēng)對翅片進(jìn)行降溫從而達(dá)到對LED芯片散熱的目的。

試驗中，通過多路溫度巡檢儀來測量并記錄芯片引腳、鋁基板以及散熱翅片的溫度。芯片引腳取4個測試點，分別記為Ta1、Ta2、Ta3、Ta4（對應(yīng)圖3中的線1、2、3、4）；鋁基板表面取兩個測試點，溫度分別記為Tb1、Tb2（對應(yīng)圖3中的線5、6）；翅片表面取兩個測試點，溫度分別記為Tc1、Tc2（對應(yīng)圖3中的線7、8）。最終在每組試驗中對每個測試點選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。圖3為測試點的分布圖。

圖3 溫度測試點分布圖

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)布置如圖4所示，所用儀器包括：①為LED芯片組供電的雙路直流穩(wěn)壓電源，型號為WYJ-20A60V，其中電流的調(diào)節(jié)范圍為0～20 A，電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～60 V；②為離子風(fēng)散熱裝置供電的直流高壓電源，型號為TC4080；③多路溫度巡檢儀，型號為ZJ-16A，溫度的測量使用K型熱電偶，巡檢儀通過串口RS485與計算機連接將采集到的溫度進(jìn)行記錄并自動保存，測量精度±0.1℃。④為保證試驗初始溫度一致和試驗過程中溫度測量不受環(huán)境溫度突變的影響，試驗在恒溫箱中進(jìn)行，恒溫箱尺寸1 m×1 m×1 m，精度+0.1℃。

圖4 試驗系統(tǒng)連接圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 線電極數(shù)對散熱效果的影響

環(huán)境溫度為25℃，芯片輸入電流為1 000 mA，待測試點溫度不斷升高并達(dá)到穩(wěn)定值時，接通散熱裝置的高壓電源。裝置采用3種不同線數(shù)的線電極作為電暈發(fā)射極，并變換外加高壓的極性進(jìn)行試驗。試驗測得的芯片引腳溫度隨電暈電流的變化如圖5所示。由圖5可見，隨著電暈電流的增大，芯片引腳溫度先快速降低，而后趨于穩(wěn)定。其中8線極發(fā)生器的散熱效果優(yōu)于4線極和12線極發(fā)生器。分析認(rèn)為，4線極作為電暈發(fā)射極，其線密度過小導(dǎo)致整個裝置產(chǎn)生的風(fēng)量很小；而12線極作為電暈發(fā)射極，線密度又過大，在電暈放電發(fā)展階段各線附近的電場相互影響，從而削弱了離子風(fēng)強度，導(dǎo)致散熱效果較8線極有所衰減。

圖5 不同線電極下芯片引腳溫度的變化

3.2 電源極性對散熱效果的影響

由電暈放電機理可知，外加高壓的極性不同，對應(yīng)的起暈電壓、電暈電流不同，散熱裝置產(chǎn)生的離子風(fēng)速也有差異［15-16］。對比圖5（a）、圖5（b）可見，在3種不同線電極下均存在此現(xiàn)象，由試驗結(jié)果可見，負(fù)電暈下所能達(dá)到的芯片引腳溫度略低于正電暈。

為進(jìn)一步研究正、負(fù)極性高壓對電暈放電的影響，采用8線極離子風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行試驗，圖6所示為不同電暈極性下電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)風(fēng)速變化。由圖6可見，相同電壓下，負(fù)電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)速度高于正電暈放電。分析認(rèn)為，這一現(xiàn)象與電暈放電過程中的極性效應(yīng)有關(guān)［17-18］，即在外加正、負(fù)不同極性的高壓下，曲率半徑較小的電極附近電場受空間電荷的影響會發(fā)生畸變，從而削弱或者增強該電極附近電場的強度，同時影響電場對離子的加速作用。而在相同電壓下，外加負(fù)高壓時，系統(tǒng)的起暈要低于正電暈放電。在整個電暈放電發(fā)展階段，由于畸變影響持續(xù)發(fā)生，就使得相同電壓下的負(fù)電暈放電離子風(fēng)風(fēng)速高于正電暈放電。

圖6 正負(fù)電暈風(fēng)速變化

3.3 電暈電流對散熱效果的影響

研究中選取散熱效果相對較好的8線極負(fù)電暈放電散熱方案進(jìn)行進(jìn)一步試驗。芯片輸入1 000 mA穩(wěn)定電流，放電間距等條件保持不變。圖7所示為各測試點的溫度隨電暈電流的變化（為避免初始溫度不同造成的誤差，圖中給出的溫度均為測試點溫度減去初始溫度所得到的相對溫度值）。

圖7 溫度隨電暈電流的變化

由圖7可見，隨著電暈電流的增加，芯片引腳溫度、基板表面溫度以及翅片表面溫度都有所降低，但由于電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)強度在這一裝置結(jié)構(gòu)及輸入條件下已經(jīng)逐漸趨于“飽和”，溫度降幅也越來越小。此外，受芯片封裝工藝和電暈風(fēng)方向的影響，對比圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）也可以看出引腳溫度、基板表面溫度和翅片溫度依次降低。獲得引腳溫度后，芯片結(jié)溫可根據(jù)式（5）進(jìn)行計算：

式中，Tj為LED芯片結(jié)溫；Tc為LED引腳溫度；Vf為正向輸入電壓（V）；If為正向輸入電流（A）；0.8表示LED芯片輸入功率有80%轉(zhuǎn)化為熱量；Rth,j-c為LED節(jié)點到引腳之間的熱阻，由試驗中所選定的LED芯片制造商提供所提供數(shù)值為1.4℃/W［19］。

從圖7還可以看出，電暈電流為0.4 mA時，系統(tǒng)的散熱效果最佳，此時換算得到芯片引腳溫度為47℃，根據(jù)式（1）可以得到此時對應(yīng)的LED芯片結(jié)溫是62℃。

3.4 放電間距對散熱效果的影響

放電間距對電暈放電的啟動電壓以及電場強度均有一定程度的影響，研究中采用8線式線-網(wǎng)電極電暈放電裝置，放電間距分別為5 mm、10 mm、15 mm，其它條件相同，對LED芯片組進(jìn)行不同間距下的散熱試驗。試驗結(jié)果如圖8所示，LED芯片組在電暈放電裝置關(guān)閉狀態(tài)下工作，其引腳溫度快速上升最終達(dá)到一個峰值83℃，由式（1）可計算出此時的芯片結(jié)溫為98℃。此時，開啟電暈放電裝置，并逐步調(diào)節(jié)電暈電流，引腳溫度明顯降低。由圖8可見，LED芯片溫降隨著放電間距的增加而增大，芯片引腳溫度最低可以控制在47℃左右，同樣由式（1）可得到此時的芯片結(jié)溫為62℃，由此可見在離子風(fēng)散熱裝置的作用下LED芯片結(jié)溫降幅達(dá)到了36℃，結(jié)溫得到顯著控制。另外，圖片顯示5 mm放電間距下的散熱效果相對較差，10 mm和15 mm放電間距下的散熱效果差距不大，隨著放電間距的增大，降溫幅度明顯變小。分析認(rèn)為，這是由于放電間距增大，電暈放電尖電極（曲率半徑較小的電極）附近電場強度的增加幅度逐漸減小。

圖8 不同放電間距下芯片引腳溫度隨電暈電流的變化線圖

圖9所示為不同放電間距下放電功率隨電暈電流變化曲線，由于放電間距增大使得放電啟動電壓也逐漸升高，放電裝置產(chǎn)生離子風(fēng)的難度也隨之加大，因此相同放電條件下消耗的功率也在不斷增大。綜合考慮不同間距下的散熱效果和功耗情況得出，10 mm放電間距是3組試驗對象中較為理想的選擇。

圖9 不同放電間距下放電功率隨電暈電流的變化線圖

4 結(jié)論

設(shè)計了一種基于電暈放電原理的線-網(wǎng)式離子風(fēng)散熱裝置，研究了裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和放電參量對系統(tǒng)散熱性能的影響。主要結(jié)論如下：

（1）與正電暈放電相比，負(fù)電暈放電能夠在相對較低的放電電壓下實現(xiàn)對LED芯片的顯著降溫。

（2）系統(tǒng)散熱效果隨電暈電流的增加越來越顯著，在電暈電流為0.4 mA時達(dá)到最佳，此時芯片結(jié)溫62℃，與自然對流狀態(tài)相比，溫度下降36℃。

（3）從低功耗及高散熱效率兩方面綜合考慮，離子風(fēng)發(fā)生器采用8線電極，10 mm放電間距，電暈電流為0.3 mA時，散熱系統(tǒng)的散熱效果最佳。

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李慧霞（1992-），女，漢族，河南義馬人，碩士研究生，2014年于江蘇大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事LED汽車燈具散熱技術(shù)方面的研究，lihuix3105@qq.com；

蔡憶昔（1958-），男，漢族，江蘇昆山人，教授，博士生導(dǎo)師，1994年于鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學(xué)院獲得博士學(xué)位，主要從事LED汽車燈具光電特性與散熱技術(shù)方面的研究，qc001@ujs.edu.cn。

LED Heat Dissipation Research Based on Wire-Mesh Type Ionic Wind Generator*

LI Huixia，CAI Yixi*，WANG Jing，BAO Weiwei
（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

Traditional cooling systems for high power LED have constraints such as high consumption and low cooling efficiency.A wire-to-net type ionic wind generator based on corona discharge is proposed for high-power LED heat dissipation in the study.Ionic wind velocity and LED case temperature were measured experimentally to analyze the cooling performance of ionic wind generator under different structure and working parameters.The results indicate that the ionic wind has good cooling performance on high power LED chip.Cooling device in this paper can achieve the best cooling effect under 8-wire electrode and 10 mm discharge spacing.In addition，it is also found that the veloc?ity of negative corona wind is higher than the positive one at the same voltage，and the maximum heat drop is 36℃.

enhanced heat transfer；ionic wind；corona discharge；high-power LED；junction temperature

U463.65.1；O539

A

1005-9490（2016）06-1321-05

4260D

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.009

項目來源：江蘇省動力機械清潔能源與應(yīng)用重點實驗室開放課題項目（QK12002）；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金項目（5503000025）

2015-12-19 修改日期：2016-01-12