LED汽车前大灯散热与光衰探究范文

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摘要：当前环保节能汽车越来越受欢迎和推崇，在车辆的节能环保上，要投入更大的研究和资源。因此汽车在照明方面也要采取绿色节能的照明目标。在照明上采用led灯替代传统的卤素灯与氙气灯是必然趋势，解决LED高效率散热的问题是实现这一节能目标的首要问题，本文将通过对比分析实验样件和目标产品的相关数据信息，来重点讨论研究大功率LED应用在汽车大灯上解决散热和光衰的新思路和具体实施方法。希望通过研究解决减小前大灯工作温度对光衰和寿命的影响这一技术难题。

关键词：LED汽车前大灯；光衰；高效散热

1汽车前大灯的散热技术

我们都了解，半导体材料的材质对工作环境温度敏感，尤其功率较大的LED发热多，温度升高快，对应半导体的光的转化能力效率很低，刚开始工作的时候只有10%到20%的电能可以转化成光能，其余电能以热能的形式进行释放，产生大量的热量。如果不能及时给LED提供良好散热条件，半导体的寿命会降低。汽车的前大灯是在很热的环境中的，在汽车的发动机舱里，在这里高温的水箱、引擎、排气系统产生的热能把LED灯炙烤着，使LED的外界环境温度升高。传统的车灯灯泡中产生的热量是比LED灯泡的热量要高很多的，它体内包含有均温设计，它灯泡的输出亮度不会伴随着环境温度升高或者本身的热而发生一定的变化。LED的光源输出与半导体材料的PN结温温度有关，而其自身的热或者是来自发动机舱内的高温热量会使得半导体材料的PN结温温度持续升高，散热不佳会导致LED发光效率降低，亮度降低，大幅缩短半导体寿命。所以散热的效果就成为了LED作为光源设计的重要研究方向。

在前大灯的散热技术中，有被动散热和主动散热两种，这里所说的被动散热就是在一般的散热设计里，在安装大功率的LED的电路板时被紧紧的固定在散热器上，在LED进行打开工作时的热量在通过传导由电路板被传导至效率比较好的散热器上面，铝制品散热器的翼片通过和空气大面积的接触传导进行散热。在中间填充了一些导热的介质为了更好的减小电路板和散热器之间的热量阻隔。在进行选择的时候，最好选用翼片形状和面积可以充分满足LED大灯散热方案的散热器，这种散热的方式就是我们常说的被动散热。主动散热的方式有很多包括液冷、风冷和热管这几种主要方式，热管主要依靠高导热性能的传热元件在全封闭的真空管里面的液体通过政法然后凝结来传递整体热量。使用液冷的液体的时候一定要在泵的带动下强制的进行循环然后带走整体散热器的热量。这两种的主动的散热都不太适合车灯的内部使用，因此风冷这种散热方式经常会被应用，因为风冷安装相比以上两种要简单，而且造价比较低。在解决被动散热的方式中存在的散热器中心区域温度太过于集中的问题，可以加强风扇的强制对流来缓解散热器温度不均匀的问题。在一般情况下，散热器为了提高散热效率会将LED焊在双面敷铜层的印制板上面，把LED的底座和PCB的敷铜层采用焊接材料焊在一起，这也是一种最简单的散热结构，可以保证有大面积的敷铜层作为散热面。在本文中研究的汽车LED前大灯是Luminleds公司的LUXEON Altilon H1K PnP，将发光半导体管芯通过金锡共晶焊接于高导热氮化铝陶瓷基板，陶瓷基板背部通过热电分离设计，陶瓷基板可通过锡合金焊接在高导热的铜PCB基板散热块上，铜PCB基板通过高导热硅胶固定在散热器上，再通过主动散热将管芯产生的热量及时传导出。前大灯的散热主要路径是通过管芯、陶瓷基板、铜PCB基板、散热器或者机壳、最后到环境空气中。在LED的热传导的过程中，使用的各种材料的导热性能不一样，会有不同的热阻隔，由于金锡焊层、氮化铝陶瓷基板、锡合金焊层与铜PCB基板的热导率系数高，导热性能好，散热性能好，这种散热结构的总热阻要比常规中的结构整体减少26%。 

2车灯环境的系统设计

现在使用的LED光通量输出低，近光灯使用时需要1000lm以上，LED在应用的时候需要考虑汽车前大灯的配光要求和电学光学的整体稳定性，所以前大灯一般需要几颗甚至是几十颗的LED元件在一块模组里面，才能满足车灯的整体需要。在前大灯的近光设计环节中，扩大散热面积能够起到提高热传导效率的效果，如果将3颗大功率的LED都放在铜PCB基板上面会使LED热量过于集中，这种密集的大功率会使散热难度加大。为了改变这种结构带来的散热问题，我们试验中将铜PCB基板和散热器紧密的贴合在一起并固定，这样不仅性价比高，而且使用起来方便简单，在整个散热的过程里硅脂层就起到了关键的散热作用。通过实验选择了性价比较高的导热脂，导热率可以达到4.4W/m K的TG-244导热硅脂。散热器会根据在发动机舱内的分布和灯体的安装空间来分成内置的灯体散热器设计和外置的两个部分。把内置散热的装置有内置散热器传导到外置的散热在设备上。将外置的散热器设计在车灯内壳的边上，因为灯光在行驶的时候才打开，这时候发动机舱内会出现强对流的风冷作用，是温度降低，利用对流的原理来完成散热。车灯的外壳边缘是在车前盖的缝隙处的，车在行驶的时候车盖的缝隙会进入一定的气流。气流流经到外置的散热片翼片上，外置散热器可以对等内降温起到作用，会清晰的感受到空气中的冷风气流。想要促使强制空气流动，通常在散热片的背面加一些风扇。风扇装置帮助强制对流和外界的热空气进行交换，加速了散热器的热量交换，这种流动的空气将热量直接从PCB板面上带走了。但是由于灯体空间很狭小内部禁封，无法达成与外界的空气对流状态，在风冷的系统中，风扇产生的强制对流可以给散热器中心地区和周围的环境带来互换的效果，这样可以有效帮助内部的热量在外壳的辅助下传导出去，可以让灯体的内部和灯体的外壳温度产生接近的状态，达到预想的效果。

3试验方法和数据

3.1试验方法

在实验中，根据以上的理论设计和整体在模型中做了LED的灯光实验，所有的样件制作都尽量的满足整体的需要，做到逼真。在灯体内都安装了依靠LED为光源的远光灯和近光灯，为了数据更真实有效，安装了转向灯和位置灯，本次实验观察的重点是灯内的温度对光衰产生的影响。在测试中，利用光色电综合分析系统，车灯配合光自动测试系统等专业的温度检测设备仪器进行检测。在实验中我们所使用的数据记录设备，都是自动设置并记录的，来保证能够在实验中发现散热的功能和光衰之间有关系的规律。测试的地方主要集中在车灯的照度和光亮的形状，LED光源的温度，铜PCB基板的温度，灯箱不同位置的不同温度和散热器的温度进行观察。在试验中光源的温度和光衰的不同的散热方式情况下会出现不同的效果变化，我们用一定的线段点法来记录，在这个过程中我们发现：仅PCB散热、加热器散热的被动散热器和强制对流的主动散热器在不同散热的情况下存在着很大的结果差别，但是都能保证出光率在80%以上。在大功率的散热器中不仅要管芯的结温小于最大允许结温温度，还需要结温比125℃低很多才可以，这样可以维持LED灯的出光率和延长使用寿命，在亮度衰减至初始值70%的时候，LED灯使用性能已经降低至影响正常使用。实验的整体实行是建立在LED散热良好的基础之上进行的，实验采集的LED光源温度为车灯外壳环境温度，在车灯外壳上进行温度测试，通过记录不同环境温度，测量LED光源的光通量数值，数据显示在环境温度为60℃以下的时候LED光源亮度光衰缓慢，在环境温度大于100℃的时候LED光源光衰开始快速衰减。

3.2实验数据

LED光源温度与光衰在不同的散热方式下的关系曲线。图中可见仅PCB散热、加散热器的被动散热和强制对流的主动散热3种不同散热设计存在相当大的差异。加散热器的被动散热和强制对流的主动散热这两种散热装置在105℃时，基本上能够提供80%以上的出光率。 

4总结

综上所述，本文是对LED汽车前大灯散热与光衰研究展开的实验和讨论，本文从汽车前大灯的散热技术为研究的出发点，展开一定的试验和数据收集整理。在通过研究中发现让LED的光衰加重，发光效率受到影响，使用寿命变短主要的原因是LED本身的PN结产生的结温升高。在应用中通常会采用很多个LED芯片陈列设计，因此要做好LED散热架的设计，使其能够达到控制结温的作用，提高使用寿命，扩宽市场。

参考文献：

[1]王超.LED汽车前大灯的热—振动耦合分析及加速寿命试验[J].光子学报,2017(12).

[2]李祥兵.汽车前大灯LED光源散热技术[J].新技术,2015(11).

[3]张驰.大功率LED汽车前大灯散热装置研究[J].新技术,2014(07).

作者：徐娇 单位：江西省晶瑞光电有限公司