基于分離式仿真分析的led燈具結溫預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法。一、確定燈具的結構尺寸、材料、工作環境等參數。二、確定燈具所用LED封裝器件的電壓溫度特性。三、建立忽略LED封裝器件結構的數值分析模型，仿真分析得到LED封裝器件底部的平均溫度。四、建立LED封裝器件的數值仿真分析模型，在LED封裝器件底面施加一系列數值離散的等效對流散熱系數進行仿真分析，利用分析結果建立對流系數與LED封裝器件底面平均溫度的函數關系。五、建立LED燈具封裝器件的數值分析模型，通過插值算法計算進行LED燈具仿真分析時封裝器件底部平均溫度與進行LED封裝器件仿真分析時底部平均溫度相等時對應的對流系數及計算出LED封裝器件的結溫，本發明提高了LED燈具結溫預測的精度。
【專利說明】基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及LED燈具的結溫預測技術，具體是一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法。
【背景技術】
[0002]LED作為全球最受矚目的新一代光源，因其節能、環保、長壽等突出優點，被稱為是21世紀最有發展前景的綠色照明光源。2012年科技部發布了《半導體照明科技發展“十二五”專項規劃》提出了產業規模達到5000億元的目標。然而，LED照明產品的可靠性壽命評估問題是其進入通用照明的障礙。據最新的CAS020標準，使用加速試驗的方法進行LED燈具的可靠性評估至少也需要2000小時([Koh, S., et al.Product levelaccelerated lifetime test for indoor LED luminaires.1n Thermal, EuroSimEj2013])。長時間的試驗可能引入較大的系統誤差同時增加產品的研發成本和研發效率。對LED產品而言，LED結溫對產品壽命有重要影響。已有研究([A novel hybrid method forreliability predict1n of high-power LED luminaires, EuroSimE, 2013 ])基于 LED結溫和壽命的關系提出了一種LED燈具壽命的快速評估方法。該方法的應用前提是如何準確獲得LED燈具的結溫。目前，已有一些成熟的方法用于LED器件結溫預測。但是對LED燈具，受到散熱器、光學結構、環境等的影響，準確地預測LED燈具的結溫變得相當復雜。此外，在LED產品的設計和應用中，準確地預測LED產品結溫是LED產品進行有效結溫控制的重要前提。因此，探索一種能準確預測LED燈具結溫的方法具有非常重要的意義。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法。該方法利用分離式建模、數值仿真分析、數學差值方法，實現對LED燈具結溫進行準確高效地預測。
[0004]實現本發明目的的技術方案是:
一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，以分離式建模為基礎，利用了現有的計算流體動力學分析，具體包括如下步驟:
1)確定LED燈具的各種尺寸參數、材料參數和發熱功率，以及工作環境；
2)通過試驗測定正常工作電流下LED燈具所用LED封裝器件的電壓溫度特性關系曲線()(式中:V(T)、V0分別表示溫度為Τ、Τ0時的電壓，單位V (伏特)，Κ為常數，單位V/°C，Τ0、Τ為溫度，單位V/°C);根據得到的曲線確定熱分析模型中的熱功率())(式中:P為熱功率，單位w (瓦特)，η為光電轉換效率，無量綱量，I為電流，單位A(安培)，V(T)表示溫度為T時的電壓，單位V (伏特)；
3)建立LED燈具的數值仿真分析模型燈具內LED封裝器件簡化為與器件外形尺寸近似的均勻發熱塊，確定計算域(空氣域范圍)進行基于流體動力學分析方法進行熱仿真分析，得到LED封裝器件底部的平均溫度為Ts ； 4)建立LED封裝器件的詳細的數值分析模型；
(4-1)是在步驟4模型的LED封裝器件底面施加大小分別為氏、H2 (K/ffm2) (H1<H2)的對流散熱系數，并根據步驟2)的功率函數施加熱載荷，進行LED封裝器件的仿真分析，得到LED封裝器件底部的平均溫度分別為Tl和T2 ;
(4-2)比較 Ts 與 T1、T2 大小。若 T1>TS>T2,執行步驟 7);若 T2>TS,則 H1=H2, H2=3H2_H1，執行步驟 5);若 TS>T1，則 H1=3H1-2H2 (若 3H1_2H〈0，則 H1=1K/Wm2)，則 H2=H1，執行步驟7);若Ts=Tl或T2，則He=HI或H2,執行步驟10)；
(4-3)在步驟4)的模型下施加大小為H3=H1+ (Η2-Η1)/3的對流系數，進行熱分析后，得到LED封裝器件底部的平均溫度分別為T3 ；
(4-4)比較 Ts 與 Tl、T2、T3 大小，若 T1>TS>T3，則 H2=H3，T3>TS>T2，若，H1=H3,重復步驟5)的加載和分析過程；
(4-5)當T1>TS>T2時，記步驟5)執行次數為N，若N彡5且T1-T2X).1°C時取此前進行的5對Hl和H2及其對應的仿真溫度數據進行曲線擬合，得到Ts溫度時對應的He ;若N < 5且 T1-T2 ( 0.1°〇時 He=(H1+H2)/2 ；
5)對步驟4)的模型施加由步驟9)或步驟6)得到的對流系數進行熱分析最終得到LED燈具的結溫Tj,至此即完成了 LED燈具結溫的預測。
[0005]本發明的優點:
本發明的優點在于:從LED燈具系統的角度，使用分離式建模、數值仿真分析、數學差值方法預測LED燈具的結溫；該方法綜合考慮了 LED燈具各組件對熱分布的影響，通過分離式仿真的方法，簡化了仿真分析的建模過程，提高了對LED燈具結溫預測的精度；分析過程使用熱電耦合方法使熱載荷更接近實際情況；本發明不但可以應用在LED燈具的結溫預測方面，為基于LED燈具結溫的可靠性評估準確的結溫前提條件，還可以應用在LED燈具散熱器的結構設計和優化方面，具有很好的實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1本發明的方法流程圖；
圖2本發明實施例中樣品外形結構示意圖；
圖3本發明實施例中LED封裝器件的電熱關系示意圖；
圖4本發明實施例中LED燈具熱電耦合仿真分析的模型示意圖；
圖5本發明實施例中LED封裝器件底部等效對流散熱系數與結溫關系示意圖。
【具體實施方式】
[0007]下面將結合附圖和實施例進一步對本發明作詳細闡述。
[0008]本發明是一基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，流程如圖1所示，具體實施過程如下:
下面將結合附圖和實施例進一步對本發明作詳細闡述。
[0009]本發明是一基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，流程如圖1所示，具體實施過程如下:
I)本實施過程選取已商業化的12W LED室內照明筒燈為例，如圖2所示，同時，LED燈具各封裝器件的功率為0.32W。
[0010]2)根據LED燈具使用的LED封裝器件來源，確定LED封裝器件在ImA電流和95mA電流下的電壓溫度特性關系函數()，如圖3所示。
[0011]3)本實施例利用現有的計算流體動力學分析技術(ANSYS-1CEPAK軟件)，使用確定的尺寸參數，建立LED燈具部分的數值分析模型，如圖4所示。該分析模型是按照燈具的結構尺寸和材料參數建立的，模型中包括:PC透鏡、透鏡蓋、PC墊圈、LED模組(包括:LED封裝器件和MCPCB需要注意的是LED封裝器件簡化為外形和器件實際尺寸近似的均勻發熱體)、導熱膏、散熱器。建模仿真分析步驟為:①用軟件按燈具的結構建立幾何模型，同時賦予各組件如表I的材料參數；②定義計算域范圍、工作環境(溫度、大氣壓強、輻射條件)、并劃分好網格；③按95mA電流下的電壓溫度特性定義各LED封裝器件的發熱功率并進行熱電耦合下的穩態熱分析；④進入軟件后處理即可觀測到的LED燈具的溫度場分布，記錄三個有代表的性的LED封裝器件底部的平均溫度TS1、TS2、TS3。
[0012]4)建立LED封裝器件部分的數值分析模型。在LED封裝器件底面施加大小為1000—4000的(K/Wm2)的7種對流散熱系數Hi，按95mA電流下的電壓溫度特性定義LED封裝器件的熱功率載荷，進行LED封裝器件的熱分析，得到LED封裝器件底部的平均溫度分別為Ti (i=l，2，3…7)。綜合步驟4)得到的7組(Hi，Ti)得到LED封裝器件底部對流系數與平均溫度的函數關系，如圖5所示。利用插值的方法得到LED封裝器件底部平均溫度為Ts時需施加的等效對流系數He。
[0013]5)在步驟4)的模型中施加大小為He的對流散熱系數，繼續按95mA電流下的電壓溫度特性定義LED封裝器件的熱功率載荷進行熱分析，得到LED封裝器件的熱分布及結溫
Tjo
[0014]本發明方法的具體驗證:重復步驟4)步驟5)的加載和分析方法得到與步驟3)對應的三個有代表的性的LED封裝器件的結溫Tj 1=43.17、Tj2=43.23、Tj3=43.44。
【權利要求】
1.一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，其特征是包括如下步驟: (1)確定LED燈具的各種尺寸參數、材料參數和熱電特性參數； (2)確定所用LED封裝器件在恒定電流下的電壓溫度特性關系函數()； (3)建立LED燈具的數值仿真分析模型，確定計算流體動力動力學分析的計算域，進行溫度場仿真分析，得到LED封裝器件底面的平均溫度Ts ； (4)建立LED封裝器件的數值分析模型，在LED封裝器件底面施加一系列的對流散熱系數H，進行不同對流散熱系數下的溫度場仿真分析，得到對應的LED封裝器件底部的平均溫度為T結溫為Tjx ； (5)得到步驟4)得到的H、TS、Tjx數據點，分別擬合出H與TS以及H與Tjx的函數關系，并利用插值算法計算出LED封裝器件底部平均溫度為Ts時對應的等效對流系數He以及對應的結溫Tj即LED燈具的結溫。
2.根據權利要求1所述的一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，其特征是:所述的分離式仿真分析是分別建立LED燈具與LED封裝器件的數值分析模型，在LED燈具模型中將LED封裝器件簡化為與器件外形尺寸近似的均勻發熱塊。
3.根據權利要求1所述的一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，其特征是:所述的LED封裝器件底面的平均溫度，用于連接LED燈具仿真分析和LED封裝器件仿真分析的公共界面條件。
4.根據權利要求1所述的一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，其特征是:在對LED封裝器件進行仿真分析的過程時，在LED封裝器件底面施加對流散熱系數。
5.根據權利要求1所述的一種基于分離式仿真分析的LED燈具結溫預測方法，其特征是:在LED封裝器件底面施加一系列數值離散的對流條件進行仿真分析，建立等效散熱系數與LED封裝器件底面平均溫度的函數關系，利用插值算法得到合適的等效對流系數和最終要求的LED燈具結溫。
【文檔編號】G06F17/50GK104133997SQ201410365043
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】楊道國, 田坤淼, 蔡苗, 陳文彬, 陳云超 申請人:桂林電子科技大學