大功率LED散熱采用主動(dòng)冷卻方案

　　散熱問(wèn)題一直是LED照明面臨的重要挑戰(zhàn)。清華大學(xué)退休教授、美國(guó)PAM公司顧問(wèn)茅于海認(rèn)為，LED散熱面臨的主要挑戰(zhàn)還是大功率路燈，以及體育場(chǎng)和球場(chǎng)高亮度燈的散熱。因?yàn)楣β蚀?，所需散的熱量也大，而且在露天面臨各種炎熱暴曬天氣，增加了散熱的難度。劇場(chǎng)的高亮度聚光燈也是難點(diǎn)之一。另外，高功率PAR38燈由于體積小、功率大，要求無(wú)電磁干擾也增加了散熱的難度。

　　LED散熱解決方案的種類多種多樣，主要包括鋁散熱鰭片、導(dǎo)熱塑料殼、風(fēng)扇、導(dǎo)熱管、表面輻射散熱處理等。其中，散熱片和高速風(fēng)扇是目前最常見的處理方式。不過(guò)，隨著照明應(yīng)用對(duì)于光輸出的要求不斷提高，LED產(chǎn)品的熱流密度不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)需要冷卻的熱量也越來(lái)越大，因此，Nuventix亞太區(qū)技術(shù)支持負(fù)責(zé)人金海林指出，目前最大的挑戰(zhàn)就是如何降低不斷增加的熱流密度。

　　新興的壓電陶瓷風(fēng)扇、無(wú)扇葉風(fēng)扇等先進(jìn)技術(shù)擁有較強(qiáng)散熱能力，但對(duì)于LED照明這種小空間內(nèi)的應(yīng)用，從尺寸體積、耗電、成本、結(jié)構(gòu)、可規(guī)模化量產(chǎn)性等方面綜合考慮，并不適用。

　　金海林分析，由于被動(dòng)散熱器受制于有限的換熱能力，單位時(shí)間內(nèi)能帶走的熱量很有限，使得用來(lái)冷卻大功率LED模組的散熱器不得不做得很大很重。而主動(dòng)散熱(如SynJet散熱方案)可以克服這些缺點(diǎn)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流換熱的高效散熱能力快速帶走熱量，降低LED芯片的溫度，并且同時(shí)減小了散熱器的體積及重量，更好地滿足照明設(shè)計(jì)小型化的要求。

　　Nuventix于2007年正式量產(chǎn)基于Synthetic Jet原理制造的SynJet(合成噴氣)產(chǎn)品，利用通過(guò)高頻振蕩所產(chǎn)生的高湍流度高動(dòng)量氣流，因而可以做到高達(dá)10萬(wàn)小時(shí)的壽命保障，并具有低噪音、低功耗、耐高溫、防雨、防塵、抗振動(dòng)沖擊、無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)部件、易于應(yīng)用等特點(diǎn)。金海林表示，SynJet技術(shù)是最近二十年來(lái)散熱領(lǐng)域具有突破性和最具創(chuàng)新性的技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在包括家樂(lè)福超市等大型場(chǎng)所。據(jù)悉，在高功率PAR38燈中就采用了SynJet解決來(lái)散熱問(wèn)題。

　　Nuventix的新產(chǎn)品還有34W聚光燈的散熱器。

　　34W聚光燈中的散熱器

　　與其他的熱電供應(yīng)商不同，Laird公司不僅制造其自身的模塊，而且將其產(chǎn)品與內(nèi)部設(shè)計(jì)、裝配和制造專業(yè)知識(shí)相結(jié)合。憑借其在電磁干擾(EMI)屏蔽領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，Laird提出了一種可以和防電磁干擾相結(jié)合的散熱器方案，這種方法對(duì)于LED恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的散熱和防輻射很有用。

　　Nextreme公司則主要開發(fā)了一種薄膜半導(dǎo)體制冷技術(shù)，只要在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體之間通上電，就可以把熱從一端移至另一端。這是一種具有超高效率的光學(xué)芯片冷卻模式，基于該技術(shù)，Nextreme推出了名為光學(xué)冷卻器(Optocooler)的HV14模塊。這種模塊可以在3mm2見方的極小面積上耗散1.5W的熱，而只需要2.7V的電源，兩邊的溫差可高達(dá)60度。

　　壓電散熱板作為很有效的新型散熱器也正式登上舞臺(tái)。茅于海介紹，它利用壓電晶體使得散熱板振動(dòng)，從而提高了散熱板的散熱效率。其散熱效果相當(dāng)于風(fēng)扇，但是耗電卻要小很多。

　　如圖所示，自然對(duì)流風(fēng)冷的熱阻為7.2°C/W，而采用風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷可降低至2.3°C/W，但要消耗0.85W。如果采用壓電散熱板，其熱阻也可以降低至2.3°C/W，但只消耗0.05W，而且其噪聲也沒有風(fēng)扇高。不過(guò)，使用壓電散熱板的缺點(diǎn)是成本比一般鰭片散熱器要貴不少。

　　茅于海表示，對(duì)于超大功率的高亮度LED燈，有必要采用相變水冷卻(不是熱管，熱管只能導(dǎo)熱而不能散熱)，利用水變成蒸汽要吸收大量熱的方法來(lái)進(jìn)行散熱。不過(guò)，該過(guò)程需要消耗一定的水。

　　此外，還有一種新穎的LED芯片封裝技術(shù)，稱為鋁散熱器上的芯片(chip on Al heat sink)。這種技術(shù)把LED芯片直接安裝到鋁散熱器上，從而減少了一層熱阻。

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　　鋁散熱器上的芯片

　　LED散熱基板逐漸成為一個(gè)新的市場(chǎng)。因此，有相關(guān)公司在高功率散熱基板研發(fā)上投入了較大的人力與物力，并取得了很大進(jìn)展，一些公司的高功率散熱基板已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)，如美國(guó)貝格斯(Bergquist)、Laird、日本電氣化學(xué)(DENKA)等。

　　實(shí)際上，要徹底解決LED的散熱問(wèn)題就是要它產(chǎn)生越小的熱量越好。現(xiàn)在的LED發(fā)光效率大約在100-130lm/W，大約只有20%的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余80%全部轉(zhuǎn)化為熱能。據(jù)估計(jì)，到2020年，LED的發(fā)光效率可以提高到240lm/W，比現(xiàn)在提高一倍有余，屆時(shí)LED所產(chǎn)生的熱量比現(xiàn)在減少一倍多，大約只有30%的電能轉(zhuǎn)化為熱能。 “那時(shí)候，散熱器的設(shè)計(jì)就要簡(jiǎn)單很多了?！泵┯诤１硎?。