基于IWC系统的功率型LED散热研究

近来年,节能环保成为制造业追求的目标,LED作为新时代的“绿色光源”,由于在消耗较低功率的同时产生较高的发光光通量,在照明领域被广泛应用。而功率型LED的诞生,更是符合了众多对光源要求苛刻的使用场景。但是受限于LED自身结构和照明原理,LED在工作过程中产生的热量很难通过辐射的方式散去,结果就会导致LED芯片的结点温度高出正常范围,严重影响了LED的照明性能与使用寿命,这是制约LED发展的最重要的一个因素。因此,设计一种高效的热管理方案来大大降低LED芯片的结温尤为重要。本研究针对传统散热方案存在的先天缺陷,设计了一种基于电流体动力学的离子风散热IWC(Ionic wind cooling)系统,并搭建了IWC散热试验系统,对IWC系统的EHD(Electro-hydrodynamic)、伏安特性以及结构优化进行了探索,为系统应用于LED芯片的散热奠定了基础。通过对比试验,研究了电源极性、针尖曲率半径、发射电极结构等对装置制冷效果的影响,从而优化了IWC散热系统,得出了一组最佳的热管理方案。并且将散热装置应用于大功率LED芯片,对输入功率的控制策略进行了研究,得到了最佳的控制方式。同时,对LED的光通量和散热系统的热阻以及平均换热系数进行了测量,证实了IWC制冷的可行性。研究结果显示:IWC散热系统能将LED芯片工作时的结点温度控制在50℃以下,同时离子风的产生能大大降低系统热阻、LED输出光通量以及提高极间平均换热系数。当针尖曲率半径和放电间距较小时,使用负电晕放电,采用“╋”型针电极排布方式能在较低的电晕电压下产生离子风,且制冷效果最好,散热系统有较高的工作稳定性,且离子风产生过程中的伏安特性曲线满足经典的汤森关系式。研究发现在针电极附近获得最大电场强度值,离子风速随动压先快速增加,然后增速减慢,同时电晕放电的电荷密度与过电压成比例,但与放电间隙的平方成反比。