中心議題：

• 汽車前大燈的散熱技術
• LED散熱通道設計

解決方案：

• 加裝風扇強製對流
• 車燈環境的係統設計

眾所周知，半導體材料在工作時受環境溫度影響較大。大功率LED的光電轉換效率更低
，工作過程中隻有10%～25%的電能轉換成光能，其餘的幾乎都轉換成熱能。加之汽車前大燈安裝在炙熱的發動機艙內
，高溫水箱
、引擎、排氣係統所產生的熱將LED前大燈置於嚴酷的環境中。傳統車燈燈泡所產生的熱遠高於LED
，但燈泡輸出的亮度不會因為熱而變化
，其熱設計的重點是殼體內的均溫設計。而LED的光輸出卻會因為自身的熱或來自發動機艙的高溫而影響本身PN結溫穩定，LED光通量ФV和波長等重要參數受到PN結溫的直接影響
，這種不良的溫度循環將導致發光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。

汽車前大燈的散熱技術

被動散熱與主動散熱

通常的散熱設計中，焊裝大功率LED的電路板被緊緊固定在散熱器上。LED工gong作zuo時shi所suo產chan生sheng的de熱re量liang通tong過guo傳chuan導dao方fang式shi經jing由you電dian路lu板ban被bei傳chuan導dao到dao熱re傳chuan導dao率lv較jiao好hao的de鋁lv質zhi散san熱re器qi上shang。鋁lv質zhi散san熱re器qi的de翼yi片pian與yu空kong氣qi大da麵mian積ji接jie觸chu將jiang熱re散san發fa開kai來lai。為wei了le有you效xiao地di減jian小xiao散san熱re器qi和he電dian路lu板ban之zhi間jian的de熱re阻zu，其qi間jian填tian充chong了le導dao熱re介jie質zhi。選xuan用yong的de散san熱re器qi其qi翼yi片pian形xing狀zhuang和he麵mian積ji是shi可ke以yi滿man足zuLED大燈散熱方案的設計。這種散熱方式我們稱之為被動散熱。

主動散熱常用液冷、熱管
、風feng冷leng等deng方fang式shi。由you於yu液ye冷leng使shi用yong的de液ye體ti必bi須xu在zai泵beng的de帶dai動dong下xia強qiang製zhi循xun環huan帶dai走zou散san熱re器qi的de熱re量liang，熱re管guan則ze依yi靠kao高gao導dao熱re性xing能neng的de傳chuan熱re元yuan件jian在zai全quan封feng閉bi真zhen空kong管guan內nei的de液ye體ti的de蒸zheng發fa與yu凝ning結jie來lai傳chuan遞di熱re量liang，二er者zhe都dou不bu適shi合he車che燈deng內nei使shi用yong。風feng冷leng散san熱re具ju有you價jia格ge較jiao低di、安裝簡單等優點最為常用。針對被動散熱方式存在的散熱器中心區域溫度相對集中的情況
，加裝風扇強製對流後(見圖1)，對緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。

LED散熱通道設計

加裝風扇後強製對流 通常LED被焊在雙麵敷銅層的印製板(PCB)上，LED的底麵與PCB的敷銅麵焊在一起，為提高散熱效率，以較大的敷銅層作散熱麵。這是一種最簡單的散熱結構。

本文研究的汽車前大燈用LED是目前OSRAM公司最大功率的一種LEUMD1W4
；管芯散熱設計選用了一種更利於散熱的LE3S封裝。這種封裝的特點是，以麵積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時將LED基座與鋁基板接觸區域的絕緣介質剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導至LED的外部。這種內部結構去處了管芯和基座之間的介質減少了熱阻，更直接地將管芯的結溫導出(見圖2a)。

本文研究的LED汽車前大燈主要散熱路徑是：管芯→銅合金基板→鋁基板→散熱器或機殼→環境空氣，(見圖2b)。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA

，散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)
，在熱傳導過程中
，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。管芯傳導到散熱墊底麵的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導到PCB麵層敷銅層的熱阻為RCB
、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA
，RJA與各熱阻關係為：RJA=RJC+RCB+RBA


，銅合金基板和鋁基板導熱性能接近且熱阻小

，其導熱性能就好
，即散熱性能也越好。該散熱結構的總熱阻比常規結構減少近26%。

車燈環境的係統設計

由於現階段的LED的輸出光通量低，僅汽車近光燈就需要1000lm以上。考慮到汽車前大燈的配光要求以及電學
、光學參數的穩定性
，LED應用於汽車前大燈常需要集幾顆甚至幾十顆LED元件於一塊模組中，才能滿足車燈法規所需的要求。目前，我們針對O2star和X2lamp產品的類似封裝進行配光設計。其中OSTAR4chip車燈專用的LEUMD1W4單隻LED輸出光通量大於350lm
，陣列3隻這種LED即可滿足車燈1000lm的基本要求。

(1)擴大散熱麵積提高傳導效率。在LED汽車前大燈近光單元設計中，3顆大功率LED陣列在鋁基板上。這種緊密排列的大功率LED熱(re)量(liang)的(de)高(gao)度(du)集(ji)中(zhong)和(he)散(san)熱(re)難(nan)度(du)可(ke)想(xiang)而(er)知(zhi)。試(shi)驗(yan)樣(yang)件(jian)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)鋁(lv)基(ji)板(ban)與(yu)散(san)熱(re)器(qi)緊(jin)密(mi)貼(tie)合(he)固(gu)定(ding)。二(er)者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)填(tian)充(chong)了(le)性(xing)價(jia)比(bi)較(jiao)高(gao)且(qie)使(shi)用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)導(dao)熱(re)矽(gui)脂(zhi)，在(zai)整(zheng)個(ge)散(san)熱(re)係(xi)統(tong)中(zhong)，矽(gui)脂(zhi)層(ceng)其(qi)實(shi)是(shi)散(san)熱(re)關(guan)鍵(jian)之(zhi)所(suo)在(zai)。目(mu)前(qian)主(zhu)流(liu)導(dao)熱(re)矽(gui)脂(zhi)的(de)導(dao)熱(re)係(xi)數(shu)均(jun)大(da)於(yu)1W/m·K
，優質的可達到6W/m·K以上，試驗選擇了性價比較高導熱率達到4。4W/m·K的TG2244導熱矽脂。
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(2)強製對流提供與外界空氣熱交換。在散熱片的背麵加裝風扇促使強製空氣流動。風扇加速了散熱片的熱交換的同時
，流動的空氣也直接從PCB板上帶走了部分熱量。由於燈體的狹小且密封，與外界的空氣對流幾乎不可能。圖3a所(suo)示(shi)風(feng)冷(leng)結(jie)構(gou)中(zhong)風(feng)扇(shan)的(de)強(qiang)製(zhi)對(dui)流(liu)可(ke)以(yi)緩(huan)解(jie)散(san)熱(re)器(qi)中(zhong)心(xin)區(qu)域(yu)與(yu)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)的(de)溫(wen)度(du)不(bu)均(jun)勻(yun)
，使(shi)燈(deng)體(ti)內(nei)部(bu)和(he)燈(deng)體(ti)外(wai)殼(ke)的(de)溫(wen)度(du)盡(jin)量(liang)接(jie)近(jin)。有(you)助(zhu)於(yu)將(jiang)內(nei)部(bu)的(de)熱(re)通(tong)過(guo)外(wai)殼(ke)和(he)外(wai)置(zhi)散(san)熱(re)器(qi)傳(chuan)導(dao)出(chu)去(qu)。

(3)散熱器部分外置。根據發動機艙內的分布及燈體安裝的空間大小
，將燈體散熱器設計為內置和外置二個部分
，如圖3b所示。外置散熱器設計在燈殼的上緣。內置LED產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)由(you)內(nei)置(zhi)散(san)熱(re)器(qi)傳(chuan)導(dao)到(dao)外(wai)置(zhi)的(de)散(san)熱(re)片(pian)上(shang)，再(zai)通(tong)過(guo)對(dui)流(liu)散(san)熱(re)。考(kao)慮(lv)到(dao)燈(deng)光(guang)通(tong)常(chang)在(zai)行(xing)駛(shi)時(shi)開(kai)啟(qi)，發(fa)動(dong)機(ji)艙(cang)受(shou)到(dao)強(qiang)對(dui)流(liu)風(feng)冷(leng)的(de)作(zuo)用(yong)
，溫(wen)度(du)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)。加(jia)之(zhi)車(che)燈(deng)外(wai)殼(ke)上(shang)緣(yuan)恰(qia)好(hao)暴(bao)露(lu)在(zai)車(che)前(qian)蓋(gai)的(de)縫(feng)隙(xi)處(chu)，車(che)輛(liang)行(xing)駛(shi)時(shi)車(che)蓋(gai)縫(feng)隙(xi)導(dao)入(ru)的(de)氣(qi)流(liu)流(liu)經(jing)外(wai)置(zhi)散(san)熱(re)片(pian)的(de)翼(yi)片(pian)
，外(wai)置(zhi)散(san)熱(re)器(qi)受(shou)到(dao)空(kong)氣(qi)的(de)風(feng)冷(leng)。外(wai)置(zhi)散(san)熱(re)器(qi)對(dui)燈(deng)內(nei)的(de)降(jiang)溫(wen)發(fa)揮(hui)了(le)很(hen)好(hao)散(san)熱(re)作(zuo)用(yong)。

試驗方法和數據

試驗設置和設備

根據理論設計、數據仿真，製作了試驗模型和LED前大燈工作樣件。樣件製作要求盡量接近目標產品，以求研究成果更快更好地轉換為產品。燈體內分別安裝了以LED為光源的遠光燈、近光燈以及轉向燈、位置燈。測試觀察的重點是燈體內部溫度對光衰的影響。

主要測試設備為遠方光電信息有限公司的YF1000光色電綜合分析係統、車燈配光自動測試係統以及多點溫度檢測儀等專用設備。測試點分別是：車燈照度


、光型、LED光源溫度、PCB溫度、散熱器溫度以及燈腔不同位置的溫度梯度。設備具有自動記錄和數據預置功能，以驗證散熱與光衰的關係。

試驗數據

圖4是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關係曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動散熱和強製對流的主動散熱3種不同散熱設計存在相當大的差異。後二種在105℃時，基本上能夠提供80%以上的出光率。

一般功率器件(如電源IC)散熱計算中，隻要結溫小於最大允許結溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響
，TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。OSTAR公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關係，如圖5所示。

我們對圖3b所示的前大燈樣件做了不同條件下的光衰測試，試驗建立在LED散熱良好的基礎上，模組安裝在大燈封閉殼體內，溫度檢測點在LED光源附近。試驗數據采集時的環境溫度是在燈體外部施加的。試驗結果表明環境溫度60℃時，光衰緩慢；100℃時，光衰加劇(見圖6)。

結論

LED自身的PN結產生的結溫升高
，使LED的光衰加劇、發光效率受到影響
，壽命變短。應用LED作為汽車前大燈光源時
，通常會采用多個LED芯片陣列設計。因此在LED前大燈樣機設計中
，首先做好LED散熱設計使結溫受到控製之後，根據LED大燈的運行環境，控製驅動功率和溫升，大功率LED小於80%的光衰和3000h的壽命才能得到基本保障。LED汽車前大燈產品才有廣泛的市場前景。