基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统

　　基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统杨振忠1马忠良1王峰2（1.河南恒基光电有限公司，郑州450016；2.上海半导体照明工程技术研究中心，上海201203）标，引起各公司广泛注意。本文首先分析石墨的导热性能，提出一种基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统，利用热分析软件Flotherm7.1进行仿真分析，然后对采用石墨导热介质的LED路灯和采用硅胶导热垫的LED路灯进行温度比较测试，计算机模拟仿真和，在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。

　　层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子，同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大n键（键），这些离域电子可以在整个碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向的良好导电导热性质，石墨单晶面导热系数可高达2200 W/MK.另外，石墨还具有机械性能好、密度低、热膨胀系数小等优点。

　　因此，石墨被认为是一种很有发展潜力的新型高导热材料。

　　圄3为我公司采用的石墨材料与常见导热材料导热性能对比圄可以看出石墨导热介质的水平导热系数高达550W/MK，甚至高于银和铜，是硅胶的100多倍用石墨取代硅胶作为导热介质，将大大提高导热效率，有效消除导热瓶颈。

　　导热系数（W/MK）石墨与常见导热材料导热性能对比2.2新型LED路灯散热结构圄4为新型LED路灯散热结构示意圄，主要包括：散热器、散热器均温板、石墨导热介质、LED灯珠及灯珠热沉。灯源为200颗LED灯珠，总功率为200W；散热器采用钼挤压型材，长度为660mm，竞度为350mm，21片肋片；石墨导热介质采用0.2mm厚石墨导热片，含碳量99.5，一面PET，水平导热系数550W/MK，垂直导热系数25W/MK，回弹率15将石墨导热片背胶面平铺于散热器均温板上，用橡胶滚子滚压挤出石墨导热片与散热器均温板之间的空气，然后放置LED灯珠，使LED灯珠热沉与石墨导热片紧贴。利用石墨导热片良好的导热性能，将led灯珠热沉上的热量快速均匀地传导到散热器均温板上，消除“高热点”区域，从而将led灯珠热沉上的热量有效转移到散热器均温板上，再由散热器通过与空气对流方式传递到空气中。3仿真及测试分析为便于比较分析，将水平导热系数和垂直导热系数均为4W/MK的硅胶导热垫作为导热介质组装一LED路灯，和以石墨导热片为导热介质的LED路灯进行热性能比较分析。

　　3.1热学仿真采用热分析软件Flotherm7.1进行仿真分析。在Flotherm7.1中建立热分析模型，主要由热源、导热介质和散热器组成。因为led内部热阻是一固定值，模型中把每只led考虑成一个热源，不考虑其内部结构对流模式为空气自然对流，空气的自然对流系数取平均值7.5W/（m2K）。设置室温为20C，石墨水平导热系数550W/MK，垂直导热系数硅胶导热垫水平导热系数和垂直导热系数均为4W/MK.圄5为采用石墨导热片为导热介质的LED路灯热仿真结果，其结温为52. 3C；圄6为采用硅胶导热垫为导热介质的LED路灯模型仿真结果，其结温为66.3C；前者比后者低约14C，散热效果非常明显！

　　3.2热测试热测试分为两部分：LED灯珠热沉温度测试和LED灯珠结温测试。LED灯珠热沉温度测试利用热电偶监测LED灯珠热沉温升过程，LED灯珠结温测试EIA/ESD514（1995）标准，采用电压法测试。

　　3.2.1LED灯珠热沉温度测试在两种灯散热器均温板同一位置用电钻钻一个直径为2mm的孔。在温度恒定为20C的密闭房间，点灯时用热电偶分别测试钻孔处对应灯珠热沉温度。

　　测70分钟，前10分钟每15秒记录一次，后60分钟每分钟记录一次。

　　测试结果如圄7所示，圄中上方菱形标记曲线为以硅胶导热垫作为导热介质的LED路灯灯珠热沉温升曲线，下方方形标记曲线为以石墨导热片作为导热介质的LED路灯灯珠热沉温升曲线。可以看出，采用石墨导热介质的LED灯珠热沉温升明显较慢。原因是石墨导热性能好，相同时间内将更多热量从LED灯珠热沉快速均匀传导到散热器均温板上，再由散热器通过与空气对流方式传递到空气中，从而始终将LED灯珠热沉温度控制在一个相对低的值上。

　　3.2.2LED结温测试LED结温测试采用电压法测量，室温为20T，电压精度为0.1mV.正向压降随温度变化系数为K；LED灯珠电流为369mA时灯珠两端电压为V，单位为V；LED路灯稳定后关掉，加10mA电流时LED灯珠两端电压为Vf，单位为V；室温为20，LED路灯未开时，加10mA时灯珠两端电压为V.，单位表1结温测试参数灯具参数采用石墨垫导热介质led路灯采用硅胶垫导热垫led路灯测试结果如表1所示，可见采用石墨导热介质LED路灯比采用硅胶导热垫LED路灯的管芯到空气热阻（Ta）小约11/W，结温低12.83.根据Cree公司公布的光衰曲线，当工作环境为20时，前者50光衰寿命会比后者高一倍，优势非常明显！

　　4结论计算机模拟仿真和实验测试结果均表明：与传统采用硅胶导热垫导热的LED路灯相比，基于石墨导热介质的新型LED路灯结构简单、取材容易、成本低廉、导热及散热性能好，可显著降低LED灯的结温温度，有效地提高LED灯使用寿命。

　　目前，本基于石墨导热介质的新型LED路灯已获国家专利（专利号：ZL95105354）。