LED汽車前大燈散熱與光衰研究

敖卓強

摘 要 隨著節能環保理念的不斷深入，環保節能汽車也受到廣泛關注和推崇，同時相關行業在節能汽車的研發和推廣上投入了大量的人力、物力和財力資源，其中在汽車照明方面，也需要加強綠色節能理念的運用，通過LED燈對傳統的傳統的鹵素燈與氙氣燈進行有效取代，這也成為汽車車燈未來必然的發展趨勢。因此LED汽車前大燈散熱成為亟待解決的問題。本文就汽車LED前大燈散熱技術及車燈環境的系統設計進行分析和探討。

關鍵詞 LED;汽車前大燈;散熱

1汽車前大燈散熱技術分析

由于半導體材料的材質對工作環境溫度較為敏感，特別是 LED的工作環境中，其通常溫度升高較快、發熱量大，導致半導體的光轉化能力效率相對很低，通常開始時能夠將電能轉化為光能的約10%～20%的電能可以轉化成光能，其余電能則通過熱能的形式進行釋放，所以導致大量熱量產生。因此需要加強LED前大燈的散熱技術的運用，使半導體使用壽命延長。

汽車的前大燈所處的環境中包括了高溫引擎、水箱、排氣系統等，其產生的熱能使LED的外界環境溫度不斷升高[1]。與傳統車燈燈泡所產生的熱量相比，是LED燈泡所產生熱量相對較低，其內部運用了均溫設計，燈泡輸出亮度不會因環境溫度升高或本身熱量變化而發生變化。另外半導體材料的PN結溫溫度與LED光源輸出有聯系，其高溫熱量會使半導體材料PN結溫溫度不斷提升，因散熱效果不理想會降低LED的發光效率，降低其亮度，使半導體壽命大幅縮短。因此加強LED的散熱的效果，是LED中光源設計的主要研究內容。

針對前大燈的散熱技術，主要包括了主動和被動散熱兩種，其中被動散熱是在指在進行大功率LED電路板安裝時將其固定在散熱器上的一般散熱設計，當LED開始工作時，其熱量由電路板傳導至散熱效率較好的散熱器上，通常采用鋁制品散熱翼片，利用與空氣的大面積接觸，從而起到傳導散熱的作用。同時在中間通過一定導熱介質的填充，使散熱器與電路板之間的熱量阻隔有效減小。另外還應對翼片形狀和面積進行合理選擇，從而使LED大燈散熱器能夠充分滿足散熱要求。主動散熱指的是采用風冷、液冷及熱管等的主要散熱方式，其中熱管散熱主要借助于高導熱性能的傳熱元件，處于全封閉的真空管中的液體通過蒸發、凝結的方式進行整體熱量的傳遞;采用液冷方式，需要在泵帶動下，使液體進入強制循環狀態，并將整體散熱器的熱量帶走。上述兩種主動散熱方式由于各結構部件制造工藝較為復雜，導致成本造價偏高。所以較為常用的散熱方式為風冷散熱。由于與上述兩種方式相比，風冷安裝簡單、造價較低。另外對于被動散熱的方式中，出現的散熱器中心區域溫度過于集中的問題，可采用風扇強制的方式，使對流增強，從而使散熱器溫度不均勻的問題得以緩解。

通常為了使散熱器的散熱效率提高，會在雙面敷銅層的印制板上進行LED的焊接，通過將LED底座與PCB的敷銅層焊在一起，從而形成簡單的散熱結構，利用大面積敷銅層作為散熱面，提高散熱效率。另外前大燈散熱主要通道包括了管芯、銅PCB基板、陶瓷基板、機殼、散熱，以及環境空氣。在進行LED熱傳導時，所采用的各種材料存在著不同的導熱性能，產生不同的熱阻隔效應，其中熱導率系數較高的主要有：氮化鋁陶瓷基板、金錫焊層、銅PCB基板、錫合金焊層等，其呈現出較好的散熱性能和導熱性能，此類散熱結構的總熱阻較其他常規結構整體總熱阻要低。

2汽車車燈環境系統設計分析

目前采用的LED光通量輸出較低，在進行LED車前大燈應用時，需要對其配光要求和電學光學的整體穩定性進行充分考慮，因此需要對前大的模組里所需的LED元件進行分析和確定，從而使車燈的整體需求得以有效滿足。在進行前大燈近光設計時，將散熱器與銅PCB基板進行緊密貼合并加以固定，能夠使性價比提升，同時使用更加簡便，能夠起有效散熱的作用[3]。

根據燈體的安裝空間以及發動機艙內的分布，散熱器可劃分為內置和外置燈體散熱器設計兩部分。在內置散熱的裝置中，包括了內置散熱器，其能夠將熱量傳導至外置散熱設備上;在車燈內殼上進行外置散熱器的設計，在汽車行駛時通常LED前大燈才會打開，通過發動機艙內產生的強對流風冷作用，有效降低溫度，并借助對流原理使散熱功能實現。在車燈的外殼邊緣處即車前蓋縫隙處，在行駛的過程中，縫隙內會進入一定氣流，當氣流進入后再經過外置散熱翼片，利用外置散熱器能夠對內置起到降溫作用。另外為了進一步增強空氣流動，可在散熱片背面進行風扇的安裝，利用風扇裝置進一步促進外界熱空氣與強制對流之間的有效交換，使散熱器熱量交換加速，流動的空氣能夠從PCB板面上將熱量直接帶走。但由于燈體空間較為狹小，并且內部處于禁封狀態，因此較難與外界空氣形成有效對流狀態，通過風扇產生的強制對流，在風冷系統中，能夠提高周圍環境與散熱器中心地區的交換效果，使燈體內部和燈體的外殼溫度處于接近狀態，使預想效果得以達成。

3散熱與光衰試驗研究

根據光源溫度以及光衰的不同散熱方式，并基于LED散熱良好的基礎上進行相關實驗，針對試驗中所出現的不同效果變化利用一定的線段點法進行記錄，在記錄過程可以發現：在不同散熱的情況下，采用加熱器散熱、PCB散熱的被動散熱器與采用強制對流的主動散熱器的散熱效果之間存在較大差異[4]。實驗主要針對車燈外殼環境溫度進行采集，并將其作為LED光源溫度，對車燈外殼進行溫度測試時，對不同環境溫度進行記錄，實現LED光源的光通量數值測量獲取。通過相關數據顯示可以看出，當環境溫度處于60℃以下時，LED光源亮度呈現出光衰緩慢的情況，當環境溫度超過100℃時，LED光源光衰逐漸呈現快速衰減的態勢。

4結束語

本文對LED汽車前大燈散熱及光衰進行研究中發現。LED會使光衰現象的加劇，直接影響發光效率，同時LED自身的PN結的結溫不斷升高，也使其使用壽命不斷縮短。在實際應用中通常運用多個LED芯片進行陳列，所以加強LED散熱架設計至關重要，能夠對結溫進行有效控制，使其使用壽命有效延長。

參考文獻

[1] 徐嬌.LED汽車前大燈散熱與光衰研究[J].山東工業技術，2018（16）：133-133.

[2] 梁才航，馮采檸，吳啟明.LED汽車前大燈散熱技術現狀及進展[C]//海峽兩岸照明科技與營銷研討會.0.

[3] 魯祥友，戴林，魯飛，等.微熱管式汽車LED大燈的設計與散熱研究[J].激光與光電子學進展，2018，55（11）：431-437.

[4] 劉東靜，王浩潔，樊亞松，etal.LED汽車前照燈散熱結構設計與分析[J].電子元件與材料，2019，38（7）：63-68.