CN104133997B - 基于分离式仿真分析的led灯具结温预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法。一、确定灯具的结构尺寸、材料、工作环境等参数。二、确定灯具所用LED封装器件的电压温度特性。三、建立忽略LED封装器件结构的数值分析模型，仿真分析得到LED封装器件底部的平均温度。四、建立LED封装器件的数值仿真分析模型，在LED封装器件底面施加一系列数值离散的等效对流散热系数进行仿真分析，利用分析结果建立对流系数与LED封装器件底面平均温度的函数关系。五、建立LED灯具封装器件的数值分析模型，通过插值算法计算进行LED灯具仿真分析时封装器件底部平均温度与进行LED封装器件仿真分析时底部平均温度相等时对应的对流系数及计算出 LED封装器件的结温，本发明提高了LED灯具结温预测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及LED灯具的结温预测技术,具体是一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法。
背景技术
LED作为全球最受瞩目的新一代光源，因其节能、环保、长寿等突出优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。2012年科技部发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》提出了产业规模达到5000亿元的目标。然而，LED照明产品的可靠性寿命评估问题是其进入通用照明的障碍。据最新的CAS020标准，使用加速试验的方法进行LED灯具的可靠性评估至少也需要2000小时（[Koh, S., et al. Product level acceleratedlifetime test for indoor LED luminaires. in Thermal, EuroSimE, 2013]）。长时间的试验可能引入较大的系统误差同时增加产品的研发成本和研发效率。对LED产品而言，LED结温对产品寿命有重要影响。已有研究（[A novel hybrid method for reliabilityprediction of high-power LED luminaires, EuroSimE, 2013 ]）基于LED结温和寿命的关系提出了一种LED灯具寿命的快速评估方法。该方法的应用前提是如何准确获得LED灯具的结温。目前，已有一些成熟的方法用于LED器件结温预测。但是对LED灯具，受到散热器、光学结构、环境等的影响，准确地预测LED灯具的结温变得相当复杂。此外,在LED产品的设计和应用中，准确地预测LED产品结温是LED产品进行有效结温控制的重要前提。因此，探索一种能准确预测LED灯具结温的方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法。该方法利用分离式建模、数值仿真分析、数学差值方法，实现对LED灯具结温进行准确高效地预测。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，以分离式建模为基础，利用了现有的计算流体动力学分析，具体包括如下步骤：
1) 确定LED灯具的各种尺寸参数、材料参数和发热功率,以及工作环境；
2) 通过试验测定正常工作电流下LED灯具所用LED封装器件的电压温度特性关系曲线（式中：V(T)、V0分别表示温度为T、T0时的电压，单位V（伏特），K为常数，单位V/OC，T0、T为温度，单位V/OC）；根据得到的曲线确定热分析模型中的热功率（式中：P为热功率，单位W（瓦特），η为光电转换效率，无量纲量，I为电流，单位A(安培)，V(T)表示温度为T时的电压，单位V（伏特）；
3) 建立LED灯具的数值仿真分析模型灯具内LED封装器件简化为与器件外形尺寸近似的均匀发热块，确定计算域（空气域范围）进行基于流体动力学分析方法进行热仿真分析，得到LED封装器件底部的平均温度为TS；
4) 建立LED封装器件的详细的数值分析模型；
（4-1）是在步骤4模型的LED封装器件底面施加大小分别为H1、H2(K/Wm2)（H1<H2）的对流散热系数，并根据步骤2）的功率函数施加热载荷，进行LED封装器件的仿真分析, 得到LED封装器件底部的平均温度分别为T1和T2；
（4-2）比较TS与T1、T2大小。若T1>TS>T2,执行步骤(4-3）；若T2>TS，则H1=H2,H2=3H2-H1,执行步骤(4-1）；若TS>T1，则H1=3H1-2H2（若3H1-2H<0,则H1=1K/Wm2）, 则H2=H1，执行步骤(4-3）；若TS=T1或T2，则HE=H1或H2,执行步骤5）；
（4-3）在步骤4）的模型下施加大小为H3=H1+（H2-H1)/3的对流系数，进行热分析后，得到LED封装器件底部的平均温度分别为T3；
（4-4）比较TS与T1、T2、T3大小，若T1>TS>T3，则H2=H3，T3>TS>T2，若，H1=H3,重复步骤5）的加载和分析过程；
（4-5）当T1>TS>T2时，记步骤5）执行次数为N，若N≥5且T1-T2>0.1℃时取此前进行的5对H1和H2及其对应的仿真温度数据进行曲线拟合，得到TS温度时对应的HE；若N≤5且T1-T2≤0.1℃时HE=(H1+H2)/2；
5）对步骤4）的模型施加由步骤(4-5）或步骤(4-2）得到的对流系数进行热分析最终得到LED灯具的结温Tj，至此即完成了LED灯具结温的预测。
本发明的优点：
本发明的优点在于：从LED灯具系统的角度，使用分离式建模、数值仿真分析、数学差值方法预测LED灯具的结温；该方法综合考虑了LED灯具各组件对热分布的影响，通过分离式仿真的方法，简化了仿真分析的建模过程，提高了对LED灯具结温预测的精度；分析过程使用热电耦合方法使热载荷更接近实际情况；本发明不但可以应用在LED灯具的结温预测方面，为基于LED灯具结温的可靠性评估准确的结温前提条件，还可以应用在LED灯具散热器的结构设计和优化方面，具有很好的实用价值。
附图说明
图1 本发明的方法流程图；
图2 本发明实施例中样品外形结构示意图；
图3 本发明实施例中LED封装器件的电热关系示意图；
图4 本发明实施例中LED灯具热电耦合仿真分析的模型示意图；
图5 本发明实施例中LED封装器件底部等效对流散热系数与结温关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述。
本发明是一基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，流程如图1所示，具体实施过程如下：
下面将结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述。
本发明是一基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，流程如图1所示，具体实施过程如下：
1) 本实施过程选取已商业化的12W LED室内照明筒灯为例，如图2所示，同时，LED灯具各封装器件的功率为0.32W。
2) 根据LED灯具使用的LED封装器件来源，确定LED封装器件在1mA电流和95mA电流下的电压温度特性关系函数，如图3所示。
3) 本实施例利用现有的计算流体动力学分析技术（ANSYS-ICEPAK软件），使用确定的尺寸参数，建立LED灯具部分的数值分析模型，如图4所示。该分析模型是按照灯具的结构尺寸和材料参数建立的，模型中包括：PC透镜、透镜盖、PC垫圈、LED模组(包括：LED封装器件和MCPCB需要注意的是LED封装器件简化为外形和器件实际尺寸近似的均匀发热体)、导热膏、散热器。建模仿真分析步骤为：①用软件按灯具的结构建立几何模型，同时赋予各组件如表1的材料参数；②定义计算域范围、工作环境（温度、大气压强、辐射条件）、并划分好网格；③按95mA电流下的电压温度特性定义各LED封装器件的发热功率并进行热电耦合下的稳态热分析；④进入软件后处理即可观测到的LED灯具的温度场分布，记录三个有代表的性的LED封装器件底部的平均温度TS1、TS2、TS3。
4) 建立LED封装器件部分的数值分析模型。在LED封装器件底面施加大小为1000—4000的(K/Wm2)的7种对流散热系数Hi，按95mA电流下的电压温度特性定义LED封装器件的热功率载荷，进行LED封装器件的热分析, 得到LED封装器件底部的平均温度分别为Ti（i=1,2,3…7）。综合步骤4）得到的7组（Hi，Ti）得到LED封装器件底部对流系数与平均温度的函数关系，如图5所示。利用插值的方法得到LED封装器件底部平均温度为TS时需施加的等效对流系数HE。
5) 在步骤4）的模型中施加大小为HE的对流散热系数，继续按95mA电流下的电压温度特性定义LED封装器件的热功率载荷进行热分析，得到LED封装器件的热分布及结温Tj。
本发明方法的具体验证：重复步骤4) 步骤5)的加载和分析方法得到与步骤3）对应的三个有代表的性的LED封装器件的结温Tj1=43.17、Tj2=43.23、Tj3=43.44。
Claims (5)
1.一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，其特征是包括如下步骤：
（1）确定LED灯具的各种尺寸参数、材料参数和热电特性参数；
（2）确定所用LED封装器件在恒定电流下的电压温度特性关系函数；
（3）建立LED灯具的数值仿真分析模型，确定计算流体动力动力学分析的计算域，进行温度场仿真分析，得到LED封装器件底面的平均温度TS；
（4）建立LED封装器件的数值分析模型，在LED封装器件底面施加一系列的对流散热系数H，进行不同对流散热系数下的温度场仿真分析，得到对应的LED封装器件底部的平均温度为T，结温为Tjx；
（5）根据步骤（4）得到的H、T、Tjx数据点，分别拟合出H与T以及H与Tjx的函数关系，并利用插值算法计算出LED封装器件底部平均温度为TS时对应的等效对流系数HE以及对应的结温Tj即LED灯具的结温。
2.根据权利要求1所述的一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法, 其特征是：所述的分离式仿真分析是分别建立LED灯具与LED封装器件的数值分析模型，在LED灯具模型中将LED封装器件简化为与器件外形尺寸近似的均匀发热块。
3.根据权利要求1所述的一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，其特征是：所述的LED封装器件底面的平均温度，用于连接LED灯具仿真分析和LED封装器件仿真分析的公共界面条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，其特征是：在对LED封装器件进行仿真分析的过程时，在LED封装器件底面施加对流散热系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于分离式仿真分析的LED灯具结温预测方法，其特征是：在LED封装器件底面施加一系列数值离散的对流条件进行仿真分析，建立等效散热系数与LED封装器件底面平均温度的函数关系，利用插值算法得到合适的等效对流系数和最终要求的LED灯具结温。
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