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大功率led阵列散热技术分析研究

大功率LED阵列散热技术分析研究

作者：张欣浙江工业大学

学位级别：硕士

功率型白光led作为新一代半导体照明光源,具有寿命长、能耗低等优点,正日益受到广泛的关注及研究。目前,对于大功率led阵列,其热流密度已达到100W/cm2,但它只能将约20%的电能转化为光能,剩下80%的能量都转化为了热能。若不能及时有效地... 详细信息

功率型白光led作为新一代半导体照明光源,具有寿命长、能耗低等优点,正日益受到广泛的关注及研究。目前,对于大功率led阵列,其热流密度已达到100W/cm2,但它只能将约20%的电能转化为光能,剩下80%的能量都转化为了热能。若不能及时有效地消除这些热量,将会导致led结温升高,降低PN结发射出的光子数量,减小发光效率,并对白光led的色温、色度产生重要影响,影响光源质量,加速器件老化,缩短使用寿命。因此,散热成为大功率led阵列急需解决的重要问题。本论文对大功率led阵列的散热技术进行了分析和研究,设计了基于液态冷却的微通道散热器,并对其结构进行了优化分析和仿真。根据热阻的物理意义,由传热学和流体力学的理论知识推导出了热阻与微通道散热器通道宽度、冷却液流速的关系式,在此基础上,通过理论优化和MATLAB仿真分析,得出了通道宽度、冷却液流速的最优值,从而提高微通道散热器的散热效率。由于理论分析采用的是简化解析模型,为了能够较准确直观地表征微通道散热器的散热性能,本文采用计算流体力学软件FLUENT进行了模拟仿真。首先,在热源功率相同的条件下,对运用空冷散热器和水冷散热器的大功率led阵列的温度场进行了仿真分析,并与微通道散热器的散热效果进行了比较,以说明微通道散热的优越效果。然后,仿真优化了所设计的微通道散热器的通道宽度和冷却液流速的大小。仿真结果表明：当散热器总尺寸固定时,在一定范围内,通道的宽度越小,散热面积越大,散热效率也就越高。但随着通道宽度的减小,冷却液的动力粘度会增加,导致流速减慢,影响散热效果。当散热器通道宽度为0.1mm,散热效果最好。对于冷却液流速,随着流速的增大,微通道散热器的温度分布云图的最高温度明显下降,散热效果增强。但冷却液流速不可以无限的增大,因为冷却液流速越大,所需入口压力也会越大,微通道的沿程阻力损失也会增大。在实际应用中,还要考虑水泵能够提供的最大压力,当冷却水流速为1m/s时,散热器的散热效果最好。当微通道宽度为0.1mm,冷却水流速为1m/s时,仿真得到微通道散热器的最低热阻可达0.019W/℃。最后,针对大功率led阵列表面温度分布不均匀的现象,本文提出采用变通道宽度的微通道散热器,并对其进行了温度场分布的仿真分析。仿真结果表明,此方法有效解决了大功率led阵列中央部位温度远高于边缘温度的问题,使温度分布趋于均匀。

关键词：大功率led阵列微通道散热器热阻 FLUENT软件仿真分析

基于动态核主元分析的大功率led阵列动态光源在线状态观测与故障诊断

同方学位论文库评论

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应用光学 2021年第4期42卷 728-734页

作者：王晨饶欢乐李纪宾钱依凡洪哲扬杭州电子科技大学自动化学院浙江杭州310018

大功率led阵列动态光源工作过程中光电热参数具有不确定性和时变时滞非线性特点,利用动态核主元分析方法(DKPCA)对大功率led阵列动态光源进行在线状态观测与故障诊断能有效地捕捉观测数据的非线性和相关性特征,根据历史数据的主元特征... 详细信息

大功率led阵列动态光源工作过程中光电热参数具有不确定性和时变时滞非线性特点,利用动态核主元分析方法(DKPCA)对大功率led阵列动态光源进行在线状态观测与故障诊断能有效地捕捉观测数据的非线性和相关性特征,根据历史数据的主元特征计算出的统计量阈值和在线数据的统计特征实现故障检测,利用重构贡献图法实现故障的分离。仿真实验表明,对大功率led阵列动态光源典型的传感器和执行器故障进行有效监测和诊断相对于核主元分析方法对故障更为敏感,故障检测率最高提高了7.5%,误检率下降了4.2%。

关键词：大功率led阵列动态核主元分析在线监测故障诊断

基于微通道散热的大功率led阵列的热阻研究

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半导体光电 2010年第4期31卷 518-521,525页

作者：李如春浙江工业大学信息工程学院杭州310032

采用微通道致冷技术,设计了大功率led阵列的外部热沉。针对直鳍片微通道结构的散热器,理论分析了影响其热阻的因素,推导了热阻表达式,并对微通道散热器的结构参数进行了优化,指出当通道宽度取某一数值时,散热器的热阻可达到最小。利用MA... 详细信息

采用微通道致冷技术,设计了大功率led阵列的外部热沉。针对直鳍片微通道结构的散热器,理论分析了影响其热阻的因素,推导了热阻表达式,并对微通道散热器的结构参数进行了优化,指出当通道宽度取某一数值时,散热器的热阻可达到最小。利用MATLAB软件,对led的热阻与微通道散热器的结构参数和冷却液的压力关系进行了仿真,给出了直观的关系曲线。

关键词：大功率led阵列微通道散热器热阻分析参数优化

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大功率led阵列散热结构热分析

江南大学学报（自然科学版） 2012年第5期11卷 548-551页

作者：杨占海姜云鹏何跃娟苏宙平张冬冬李汨夏海强江南大学理学院江苏无锡214122

在自然对流冷却状态下,不同的散热结构对大功率led阵列散热性能有显著影响。采用有限元分析法,对不同散热模型进行了分析并得到工作稳定时的热分析图;对比直片形、弧形、弧钉形散热结构的散热效果,逐步得出弧钉形散热结构散热效果最好,... 详细信息

在自然对流冷却状态下,不同的散热结构对大功率led阵列散热性能有显著影响。采用有限元分析法,对不同散热模型进行了分析并得到工作稳定时的热分析图;对比直片形、弧形、弧钉形散热结构的散热效果,逐步得出弧钉形散热结构散热效果最好,使得空腔以及芯片处温度均在合适的范围内,灯具的使用寿命达到近40 000 h。另外,模拟得出在普通散热设计中,灯具适合的功率约为13.75 W。通过有限元法仿真模拟得出较为合理的结果,有效地减少了实验损耗。

关键词：大功率led阵列有限元法散热结构热分析

基于STM32的大功率led阵列高精度制冷控制系统

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电子技术应用 2021年第9期47卷 75-81页

作者：钱依凡薛凌云洪哲扬杭州电子科技大学自动化学院浙江杭州310018

led结温动态严重影响其光学特性变化规律,针对大功率led阵列散热需求,利用半导体制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)设计一套制冷控制系统。开关电源易产生较强电磁干扰,设计具有快响应时间、高稳定度特点的可编程线性电源驱动TEC稳定... 详细信息

led结温动态严重影响其光学特性变化规律,针对大功率led阵列散热需求,利用半导体制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)设计一套制冷控制系统。开关电源易产生较强电磁干扰,设计具有快响应时间、高稳定度特点的可编程线性电源驱动TEC稳定工作。针对常规线性PID对具有非线性特征的TEC制冷控制系统存在快速性和超调量难以兼得的问题,于STM32嵌入式实现模糊RBF神经网络PID控制,并用6×3 W大功率led阵列进行测试,实验结果证明相比于常规线性PID控制,调节时间缩短,超调量减少,温度波动仅为±0.1℃,该系统在保持大功率led阵列工作环境温度稳定的同时可提升其输出光效。

关键词： STM32 大功率led阵列半导体制冷器模糊RBF神经网络PID

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光学雷达用大功率led脉冲准直光源设计

光学雷达用大功率LED脉冲准直光源设计

作者：王方西安理工大学

学位级别：硕士

激光雷达是以激光为发射信号的主动式现代光学遥感设备,具有高时空分辨率和连续探测能力,被广泛应用于大气环境监测领域。但是受激光波长的限制,影响了其在气溶胶探测领域的应用。led作为大气探测雷达的光源比起激光光源有许多优势。利... 详细信息

激光雷达是以激光为发射信号的主动式现代光学遥感设备,具有高时空分辨率和连续探测能力,被广泛应用于大气环境监测领域。但是受激光波长的限制,影响了其在气溶胶探测领域的应用。led作为大气探测雷达的光源比起激光光源有许多优势。利用其波长丰富的特点,可以在特定波长上对气溶胶的光学特性进行探测并使粒谱分布测量得以实现。此外,用led作为雷达的发射光源可以实现探测雷达的小型化和低成本化。本文设计一种基于大功率led的光学雷达用脉冲准直光源,论文从光学雷达的探测机理和led的主要特性出发,主要解决led光源能量聚集、光束质量和光脉冲调制这三方面问题。本文首先采用能量压缩技术设计纳秒脉冲电路,利用雪崩晶体管的雪崩效应和雪崩电容放电来产生高电压窄脉冲信号,并且根据对led伏安特性和热学特性的分析,设计恒流式驱动电路,保证大功率led稳定发光。其次,分析了led光源模型,针对led单颗能量不足的缺点,设计由7颗大功率led构成的阵列式组合光源头,以解决系统大功率输出的问题。同时使用光学设计软件Zemax为led设计二次配光器件—TIR准直器,以压缩led芯片的出光发散角和简化后期光路设计。再次,针对led阵列光源面积较大的问题,采用透镜组与导光棒相结合的方法完成准直系统的设计。使用光学设计软件Zemax对整个准直系统进行优化设计与模拟仿真,结果表明该系统符合雷达要求,证明了该系统设计的合理性。最后,基于系统的优化设计结果,使用脉冲信号驱动大功率led阵列,进行了准直光路系统的实验测试,实验测得出光发散角为20.75mrad,并对系统进行了分析。

关键词：大功率led阵列纳秒脉冲发散角准直系统 Zemax